灯泡贯流泵局部熵产与能量损失特性研究_潘强.pdf
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1、第5 7卷 第1期2 0 2 3年1月西 安 交 通 大 学 学 报J OUR NA LO FX IANJ I AO T ON GUN I V E R S I T YV o l.5 7 N o.1J a n.2 0 2 3.*灯泡贯流泵局部熵产与能量损失特性研究潘强1,2,3,孙龙月1,丁威4,张德胜1,施卫东5(1.江苏大学流体机械工程技术研究中心,2 1 2 0 1 3,江苏镇江;2.江苏大学流体机械温岭研究院,3 1 7 5 2 5,浙江温岭;3.新界泵业(浙江)有限公司,3 1 7 5 2 5,浙江温岭;4.荏原机械(中国)有限公司,2 5 5 0 3 5,山东淄博;5.南通大学机械工
2、程学院,2 2 6 0 1 9,江苏南通)摘要:为了研究大型灯泡贯流泵的能量损失特性,采用基于有限体积法的数值模拟,结合局部熵产率和网格尺度,通过熵产理论定位贯流泵内能量损失较高的局部区域,分析了不同工况下各部件内局部熵产、能量损失和不稳定流动之间的关联。结果表明:贯流泵系统熵产与试验功率损失保持较高的一致性,相比于大流量工况,小流量液流正冲角更容易诱导能量损失;叶轮轮缘局部熵产最高,体积占比1 4%的轮缘子域耗散熵产占比超过4 0%,由叶顶区泄漏流和泄漏涡导致;导叶轮毂和轮缘侧耗散熵产较高,且呈现轮毂侧分散、区域大极值小,轮缘侧集中、区域小极值大的分布特性;灯泡体能量损失在小流量工况下集中在
3、尾部渐缩段,在大流量工况下集中在灯泡尾部的尾迹区。该研究成果对大型泵站群水力性能优化设计及高效、稳定运行具有参考价值。关键词:贯流泵;数值模拟;局部熵产;网格尺度;能量损失;可视化中图分类号:TH 3 1 2 文献标志码:AD O I:1 0.7 6 5 2/x j t u x b 2 0 2 3 0 1 0 1 3 文章编号:0 2 5 3-9 8 7 X(2 0 2 3)0 1-0 1 3 1-1 0I n v e s t i g a t i o no fL o c a lE n t r o p yG e n e r a t i o na n dE n e r g yL o s sC h
4、a r a c t e r i s t i c s o ft h eB u l bT u b u l a rP u m pP ANQ i a n g1,2,3,S UNL o n g y u e1,D I NG W e i4,Z HANGD e s h e n g1,S H IW e i d o n g5(1.R e s e a r c hC e n t e ro fF l u i dM a c h i n e r yE n g i n e e r i n ga n dT e c h n o l o g y,J i a n g s uU n i v e r s i t y,Z h e n j
5、i a n g,J i a n g s u2 1 2 0 1 3,C h i n a;2.W e n l i n gF l u i dM a c h i n e r yT e c h n o l o g yI n s t i t u t eo f J i a n g s uU n i v e r s i t y,W e n l i n g,Z h e j i a n g3 1 7 5 2 5,C h i n a;3.S h i m g eP u m pI n d u s t r y(Z h e j i a n g)C o.,L t d.,W e n l i n g,Z h e j i a n
6、g3 1 7 5 2 5,C h i n a;4.E b a r aM a c h i n e r y(C h i n a)C o.,L t d.,Z i b o,S h a n d o n g2 5 5 0 3 5,C h i n a;5.S c h o o l o fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,N a n t o n gU n i v e r s i t y,N a n t o n g,J i a n g s u2 2 6 0 1 9,C h i n a)A b s t r a c t:T os t u d yt h ec h a r
7、a c t e r i s t i c so f e n e r g y l o s s i n l a r g e-s c a l eb u l bt u b u l a rp u m p,n u m e r i c a ls i m u l a t i o nb a s e do nt h ef i n i t ev o l u m em e t h o di su s e dt oa n a l y z et h ec o r r e l a t i o na m o n gt h el o c a le n t r o p yg e n e r a t i o n,e n e r g
8、y l o s s e s a n du n s t e a d y f l o wo f e a c hc o m p o n e n t i nd i f f e r e n tw o r k i n gc o n-d i t i o n sb yc o m b i n i n gt h e l o c a l e n t r o p yg e n e r a t i o nr a t ea n dm e s hs i z ea n db y l o c a t i n gt h e l o c a l r e-g i o n sw i t hh i g he n e r g y l o
9、s sw i t h i nt h e t u b u l a rp u m pw i t ht h ee n t r o p yg e n e r a t i o nt h e o r y.T h e r e-s u l t ss h o wt h a tt h ec a l c u l a t e de n t r o p yg e n e r a t i o no ft h eb u l bt u b u l a rp u m pi sh i g h l yc o n s i s t e n tw i t ht h em e a s u r e de n e r g y l o s s,
10、a n df l o wi n s t a b i l i t ya n de n e r g yl o s sa r em o r ee a s i l yt ob ec a u s e da tp o s i t i v e i n c i d e n c ea n g l ea t l o w e r f l o wr a t e s.L o c a l e n t r o p yg e n e r a t i o np e a k sn e a r t h e s h r o u do f*收稿日期:2 0 2 2-0 5-0 5。作者简介:潘强(1 9 9 1),男,助理研究员;张德
11、胜(通信作者),男,研究员,博士生导师。基金项目:国家自然科学基金资助项目(5 2 2 0 9 1 1 1);江苏省自然科学基金资助项目(B K 2 0 2 2 0 5 4 2);江苏省杰出青年基金资助项目(B K 2 0 2 1 1 5 4 7)。网络出版时间:2 0 2 2-0 8-3 1 网络出版地址:h t t p s:/k n s.c n k i.n e t/k c m s/d e t a i l/6 1.1 0 6 9.T.2 0 2 2 0 8 3 0.1 3 2 5.0 0 2.h t m l西 安 交 通 大 学 学 报第5 7卷 h t t p:z k x b.x j t
12、u.e d u.c n t h e i m p e l l e r t h a tm o r e t h a n4 0%d i s s i p a t i v e e n t r o p yg e n e r a t i o n i s c a u s e db y t h e s u b-r e g i o no c c u p-y i n gr o u g h l y1 4%o f t h et o t a lv o l u m e,w h i c hc a nb ea t t r i b u t e dt ot h el e a k a g ef l o wa n dl e a k a
13、g ev o r t e x i nt h eb l a d e t i pr e g i o n.T h ed i s s i p a t i v ee n t r o p yg e n e r a t i o n i nt h e r e g i o no f g u i d ev a n e r e a-c h e s r e l a t i v e l yh i g hv a l u ea tb o t hh u ba n ds h r o u ds i d e,s h o w i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so f l a r g ev
14、o l-u m ea n d l o wl e v e l a t t h eh u bs i d eb u t s m a l l v o l u m ea n dh i g h l e v e l a t t h e s h r o u ds i d e.T h ee n e r g yl o s s i nt h eb u l bc o n c e n t r a t e so nt h e t a p e r e dt a i l a t l o wf l o wr a t e sa n ds h i f t s t ot h ew a k ea r e ab e-h i n dt h
15、 eb u l b t a i l a t l a r g e f l o wr a t e s.T h e r e s e a r c hr e s u l t sp r o v i d e r e f e r e n c e f o r t h eh y d r a u l i cp e r-f o r m a n c eo p t i m i z a t i o na n dh i g h-e f f i c i e n c ya n dh i g h-s t a b i l i t yo p e r a t i o no f l a r g e-s c a l ep u m p i n
16、 gs t a-t i o n s.K e y w o r d s:b u l bt u b u l a rp u m p;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n;l o c a l e n t r o p yg e n e r a t i o n;m e s hs i z e;e n e r-g y l o s s;v i s u a l i z a t i o n 作为世界规模最大的梯级泵站工程,南水北调一期工程于2 0 1 3年1 1月全线正式通水运行,有效缓解了我国水资源时空分布不均、干旱缺水和水环境恶化等突出问题。2 0 2 0年,东线后续(二期)
17、工程规划建设黄河以南干线输水梯级泵站1 4座,总机组台数1 1 0台,总装机4 1 3.3MW,规划泵站中约三分之一为低扬程贯流泵装置。一方面,国家提出力争2 0 3 0年前实现碳达峰,2 0 6 0年前实现碳中和,在此目标下,高能耗泵站群必须高效运行;另一方面,大型调水泵站一旦开启将长期运行,局部能量损失不仅伴随不稳定流动,且易诱发系统振动和噪音,严重时导致贯流泵装置无法正常运行。一些研究者通过能量分析聚焦水力机械中的局部损失区域,开展针对性的流动不稳定分析、优化设计及主动 控制,取得了 良好的效 果1-7。W i l h e l m等8通过能量平衡方程,确定了尾水管的水头损失是由于平均动能
18、向湍流的转移和动能的黏性耗散造成。L u o等9根据能量损失分析发现,湍流动能的产生和雷诺应力的扩散是水射流泵能量损失的主要来源。Y e等1 0基于局部能量损失研究了混流泵内不稳定流动,发现叶轮旋转失速涉及较大的能量传递,而扩散器内的分离流能量传递较低。近年来,熵产理论被广泛应用于水力机械中的能量输运特性、不稳定流动及局部损失分析1 1-1 8。张永学等引入熵产方法对离心水泵进行能耗评价,得出叶轮和蜗壳是熵产发生的主要区域且主要类型为壁面熵产与湍流熵产1 9。L i等基于熵产变化规律得到了泵作透平模式下的最佳导叶开度2 0。然而,考虑到熵产为控制体内的积分量,基于熵产理论的多数研究以水力机械各
19、部件为对象,分析各个部件域的总体熵产值,通常无法得到某部件内的局部熵产分布特性,导致难以聚焦高熵产区域开展研究。本文结合有限体积法计算出的熵产率和网格尺度,研究贯流泵不同部件内局部熵产的分布特性,并通过等值面可视化定位各部件内局部熵产绝对值较高的重点区域,分析不同工况下各部件熵产、能量损失、不稳定流动之间的关联,为泵站群水力性能的优化设计提供参考。1 控制方程与熵产分析理论1.1 控制方程在叶片泵的数值模拟中,通常不考虑能量传递和耗散所涉及的温度变化,即在恒温条件下建立控制方程组描述控制体内的质量和动量守恒9-1 3。综合考虑计算资源和计算精度,建立不可压缩流体的雷诺时均化瞬态控制方程,见式(
20、1)和式(2)。其中,雷诺应力i j通过S S Tk-流模型求解,该模型使用混合函数从壁面附近的低雷诺数k-模型逐渐过渡到边界层外部的高雷诺数k-模型,通过修正湍流黏度考虑湍流剪应力的输运效果。uixi=0(1)uit+uiujxj=-pxi+2uixjxj-i jxj(2)式中:ui为时均速度;为密度;p为压力;为介质黏度;i j为雷诺应力。1.2 熵产分析理论熵是系统状态变量参数,由不可逆因素引起的机械功耗散往往导致熵增量,即熵产。熵产一般来源于传热或耗散,考虑到水机系统中通常不考虑温度变化,因此忽略由于传热引起的熵产,熵产率的输运方程可表示为st+usx+vsy+wsz=SD(3)式中:
21、s表示单位质量介质的熵;u、v、w为速度分231 第1期潘强,等:灯泡贯流泵局部熵产与能量损失特性研究法 h t t p:z k x b.x j t u.e d u.c n 量;SD是系统内耗散引起的总熵产。由于系统的控制方程采用雷诺时均化处理,这里也对式(3)进行时均化处理,得到耗散熵产的两个部分:时均速度场引起的黏性耗散熵产和脉动速度场引起的湍流耗散熵产。此外,考虑壁面摩擦引起的熵产,总熵产表示为SD=SD+SD+Sw=V(S D+S D)dV+AwvwTdA(4)式中:SD为时均速度场引起的熵产,即在分子黏度作用下的动能耗散;SD 为脉动速度场引起的熵产,即在湍流黏度作用下的湍动能耗散;
22、Sw为壁面摩擦作用下的熵产;V为计算域体积;A为壁面面积;w为壁面切应力;vw为壁面网格速度;T为温度,在水力机械计算中取恒定室温2 9 8.1 5K。参考文献2 1 给出了两种局部耗散熵产率S D和S D的计算方法,即S D=2Tux2+vx2+wx2+Tuy+vx2+uz+wx2+vz+wy2(5)S D=0.0 9 kT(6)式中:是湍流涡频率;k是湍流强度。基于熵产理论分析方法的功率损失为PS=SDT(7)局部熵产率(L E P R)与局部熵产(L E P)不同,后者考虑了局部体积的影响,可以理解为L E P R高的区域L E P不一定高。在等温环境下的功率损失PS应与L E P成比例
23、,关注L E P值高的区域并开展优化设计有助于提高系统效率。此外,基于有限体积法的数值模拟可在每个网格上计算局部熵产率,因此当系统总熵产SD离散到每个网格上时,局部熵产Sd等于局部熵产率与网格体积的乘积,即Sd=(S D+S D)Vc(8)式中Vc为单个网格体积。2 数值计算模型与试验验证2.1 几何模型本文以后置灯泡贯流泵(叶轮驱动部件安装在灯泡体内,且灯泡体布置在叶轮出口侧)为研究对象,将原型贯流泵(设计流量2 0m3/s,扬程2.2m,转速1 2 2.2 r/m i m)以等比例缩放至叶轮直径为3 0 0mm的模型泵,主要由进水段、支撑体、叶轮、导叶、出水段组成,模型泵的计算区域及试验测
24、试系统如图1所示。贯流泵设计工况点下的比转速为11 2 0,叶轮模型直径D2=3 0 0mm,叶顶间隙尺寸为0.5mm,叶轮叶片数为3个,导叶叶片数为7个,进、出水段管道直径Dp=3 5 0mm。图1 后置灯泡贯流泵示意图F i g.1S c h e m a t i cd i a g r a mo fp o s t p o s i t i o n a lb u l bt u b u l a rp u m p2.2 网格划分与无关性分析网格划分质量直接关系到数值模拟的收敛性和准确性,采用I C EM进行六面体结构网格剖分。叶轮采 用C型 网 格 拓 扑 结 构,叶 顶 间 隙 尺 寸 为0.5m
25、m,在径向均布了2 5个网格节点,以提高叶顶间隙的网格质量。为控制导叶和进出水管道壁面的边界层分布,采用O型网格拓扑结构环绕导叶叶片和管道,并进行加密,如图2所示。(a)叶轮(b)导叶图2 叶轮和导叶的网格划分F i g.2 M e s hg e n e r a t i o no fp u m p i m p e l l e ra n dd i f f u s e r331西 安 交 通 大 学 学 报第5 7卷 h t t p:z k x b.x j t u.e d u.c n 为验证网格无关性,本文采用基于理查德森外推法的G C I(g r i dc o n v e r g e n c e
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