分流导叶数量对混流泵内流场及结构特性的影响.pdf
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1、2023年第3期小原枝术分流导叶数量对混流泵内流场及结构特性的影响庞佳1熊书磊?陈贵华1段娜娜李文沛司伶俐(1河南焦煤能源有限公司,河南焦作454150;2西安交通大学电气工程学院,西安710049)摘要:为研究在不同分流导叶数量条件下混流泵的内流场特性及结构特性,以一款自行设计的混流泵为研究对象,采用多重坐标系和单向流固耦合的方法,在不同数量的分流导叶工况下,对混流泵进行了三维定常数值模拟。分析了混流泵在不同工况下的定常流动特性,并且对比了叶轮结构等效应力及变形的模拟结果关键词:混流泵分流导叶定常流动流固耦合等效应力中图分类号:TH313文献标识码:A混流泵在性能上介于离心泵和轴流泵之间,流
2、量参数可以设计的较大,适用于大流量排水和灌溉领域。在混流泵稳定进行排水作业时,可以将其内部水流的流动状态视为定常流动。为了提升混流泵的性能和工作效率,在结构上,可以设置一定数量的分流导叶以达到对泵内水流进行收集和流道调整的作用2。当叶轮的叶片数固定时,不同数量的分流导叶会影响混流泵的内流场特性,而内流场决定外特性,即决定了泵的流量、扬程和效率。除此之外,高速旋转的叶轮在水流的压力下会发生一定程度的变形。因此有必要在不同数量的分流导叶工况下,研究混流泵的内流场特性及叶轮的结构特性,所研究的结果可以为混流泵的结构设计及产品完善提供一定的参考。近年,随着计算流体力学(Computationalflu
3、iddynamics,CF D)的发展,流场仿真软件为流体机械的设计和完善做出了很大贡献。其中,ANSYSWorkbench软件就集成了多种流体分析模块以及流固耦合分析模块,各个组件之间可以很方便地联合使用。文献3为了研究CFD数值计算方法在混流泵外特性方面计算的准确性,以某型号混流泵作为研究对象,在不同的流量工况下分别进行了现场试验和数值计算,对比发现二者在设计工况下的误差仅为5%左右,而在小流量工况下,由于泵腔内部的流态不稳定,流线也十分混乱,导致误差较大。文献4采用了动网格技术和双向流固耦合方法,分析了有无分流导叶对混流泵非定常流动特性和动力学特性的影响,发现分流导叶能够减小压力脉动衰减
4、的速度,并且能够降低应力和变形的波动幅值。文献5采用经典端流模型RNGk-研究了离心泵泵腔内部的定常流动特性,结果表明泵腔内部的流场分布具有非轴对称性,包括速度场和压力场。文献6 运用顺序耦合法和双向流固耦合法对导叶式离心泵的叶轮进行了静力学强度分析,结果表明最大等效应力出现在叶轮前盖板、叶片背面和叶轮出口边的交界处。最后比较了两种方法模拟出的结果,发现单向耦合与双向耦合的结果基本一致。在分流导叶的机械设计、安放角、扫掠角等因素对混流泵特性的影响方面,国内外研究者研究的较多7-10,而考虑不同数量的分流导叶对混流泵性能的影响,相关研究还较少。本文基于ANSYSWorkbench平台的流体分析模
5、块(Fluent)和静力学分析模块(StaticStructural),分别对混流泵的内流场特性和流固耦合作用下的结构特性进行了定常计算,主要研究不同分流导叶数量对混流泵性能的影响。1研究方法1.1混流泵模型本文研究的某型号混流泵的设计参数如下:额2023年第3期8小原枝术定流量Q=1000m/h,扬程H=22m,额定转速nn=2700r/min,比转速为52 0。混流泵的三维结构如图1 所示,泵轴结构为立式旋转结构,泵的出口方向与进口方向约呈45夹角,进口直径和出口直径均为30 0 mm。叶轮的数量固定为6 片,分流导叶的数量分别设置为0、3、5、7、9,如图2 所示。1.2网格无关性验证采
6、用Fluent软件内置的Mesh模块对各个部件进行网格划分,流体域的网格采用非结构化四面体网格1 ,当网格数达到40 0 万时,得到同一位置压力值的误差较小,满足网格的无关性要求,因此在之后的不同工况下,流体域计算均保持网格数不低于40 0 万。而对于流固耦合计算,固体本身的特性使其对于网格的要求较低,可以在叶轮、分流导叶的叶片边缘处进行加密处理 1 2】,网格数量平均保持在6 0 万即可。一泵轴出口泵体分流导叶叶轮口图1混流泵三维模型(a)0 片(b)3片(c)5片(d))7 片(e)9 片图2不同数量的分流导叶模型1.3数值模拟方法在数值模拟过程中,选择常温液态水作为流体介质,叶轮及分流导
7、叶的材料均为灰铸铁,其抗拉强度达到2 0 0 MPa,极限抗压强度达到8 0 0 MPa,杨氏模量为1 30 GPa,泊松比为0.2 3。进行内流场特性模拟时,不需要考虑固体结构。本文采用多重坐标系的方法,将叶轮所在的圆柱形流体域设置为旋转区域,其内部的叶轮壁面设置为旋转壁面,分流导叶所在区域及其他流体域设置为静止区域,流体域的结构如图3所示。考虑到文献 3 的研究结果,不宜在流量过小和流量过大的工况下进行模拟,将叶轮旋转域的旋转速度设置为1 50 0 r/min。进口边界条件采用收敛性较好的速度人口,出口边界条件为默认的压力出口,湍流模型选用SSTk,流强度设置为5%。收敛残差设置精度为1
8、e3,模拟结束时,可以通过计算进出口的质量流率是否满足精度要求来判断是否收敛 1 3,对叶轮结构特性的数值模拟,采用单向流固耦合的方法,首先进行流体域计算,再将得到的表面压力数据传递给叶轮所在的固体域,需要用到AN-SYSWorkbench平台的静力学分析模块(StaticStructural)。在开始计算前,将重力加速度约束加载在与泵轴平行的方向,并且将泵轴和叶轮的转速设置为1 50 0 r/min,并在泵轴上施加固定约束,最后将叶轮表面设置为流固耦合界面,用于接收来自流体域计算产生的压力数据1 4O2计算结果及分析2.1内流场分析为了研究分流导叶的数量对混流泵内部流场的影响,考虑到分流导叶
9、位于叶轮之后,其对叶轮内叶轮旋转域静止区域图3流体域划分示意图2023年第3期小原枝木部的流场影响可以忽略不计,因此研究分流导叶出口处的速度流场分布情况,图4(a)图4(e)为分流导叶数量分别为0、3、5、7、9 时,分流导叶出口横截面处的速度场流线图,流线图的显示设置均保持一致,便于结果的准确对比。由图4可以看出,分流导叶的添加使得混流泵内流场出现较多的旋涡区域。这些旋涡的数量随着分流导叶数量的增加而增加,在分流导叶为3片时,旋涡区的流线较为密集,并且旋涡面积也最大,导流的效果较差,这是因为3片分流导叶之间的相互影响较小,无法有效实现对高速水流的导流作用;在叶片数为5时速度流线最为稀疏,导流
10、效果较好;在叶片数为7 和9 时,旋涡的尺度较小,但是流线密度较大,这是由于分流导叶数量的增加,水流之间的挤压和碰撞几率也在增加,导流的同时也会造成一定的水力损失。2.2叶轮应力及变形分析2.2.1应力分布混流泵在稳定工作时,其叶轮处于长时间的高速旋转状态,叶片会同时受到离心力和水压的作用,为了研究分流导叶数量对其表面应力大小及分布的影响,图5(a)图5(e)展示了不同分流导叶数量下叶轮表面等效应力的分布情况。从图5可以看出,叶轮的表面等效应力最大值位于旋转方向一侧的叶片边缘,叶片轮毂处的应力也较大。这是因为叶轮在高速旋转的状态下,旋转方向一侧的叶片边缘不断地切割水流,而叶片轮毂速度m/s0.
11、02.24.4 6.78.911.113.315.617.820.0(a)0 片(b)3片(c)5片(d)7 片(e)9片图4分流导叶出口横截面速度场流线图25.601最大22.75719.91317.06914.22611.3828.538225.6015.6945心大12.85070.0070058最小(a)0 片25.817最大22.94920.08017.21214.34311.4748.605825.8175.7372最大12.86861.8685e-5最小(b)3片36.465最大32.41336.46528.361最大124.31020.25816.20612.1558.1032
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