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離心泵的數(shù)值研究性能預(yù)測(cè)
摘要：離心泵性能預(yù)測(cè)是目前主要基于數(shù)值計(jì)算和研究的，大部分只集中于一種模式。因此，研究結(jié)果不具代表性。若要使數(shù)值計(jì)算方法和性能預(yù)測(cè)離心泵得到改善，表現(xiàn)在設(shè)計(jì)流量和離心泵模型設(shè)計(jì)流量及關(guān)閉，其具體速度是不同的，通過(guò)使用商業(yè)軟件FLUENT模擬。在FLUENT中選擇標(biāo)準(zhǔn)k -ε湍流模型和SIMPLEC算法。仿真是穩(wěn)定和移動(dòng)參考構(gòu)架，應(yīng)考慮葉輪，蝸殼相互作用。此外，對(duì)于如何處理與葉輪和蝸殼的差距，提出了網(wǎng)格數(shù)量和效果進(jìn)行了審議。對(duì)離心泵性能預(yù)測(cè)模型，建立了根據(jù)模擬結(jié)果。對(duì)頭部和不同流量的6種型號(hào)的效率進(jìn)行了預(yù)測(cè)并且實(shí)驗(yàn)結(jié)果和預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的比較。比較結(jié)果表明，頭部的預(yù)測(cè)精度和效率均小于5％以上。該流程的分析表明，流量變化具有的位置和背后的葉輪葉片進(jìn)口和進(jìn)口的速度方向低壓區(qū)面積的重要作用。這項(xiàng)研究表明，采用FLUENT軟件模擬結(jié)果預(yù)測(cè)離心泵性能是可行的和準(zhǔn)確的。該方法可應(yīng)用于工程實(shí)踐。
關(guān)鍵詞：離心泵，性能預(yù)測(cè)，數(shù)值研究
1、 介紹
泵的性能由內(nèi)流的特征，特性和內(nèi)流分析決定以提高泵的性能無(wú)疑是最好的方法。因此，為了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)水泵的理論性能，在泵流場(chǎng)必須精確得到，過(guò)去幾年，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算（CFD）的流體動(dòng)力學(xué)，數(shù)值模擬的快速發(fā)展，如理論分析和實(shí)驗(yàn)研究及研究流場(chǎng)在國(guó)內(nèi)外泵和泵的性能預(yù)測(cè)上，已成為一個(gè)重要工具。不穩(wěn)定模擬一低比高速離心泵工作由圣何塞等人基于FLUENT的動(dòng)態(tài)特性預(yù)測(cè)做成，葉輪和蝸殼，泵的性能的研究是通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證。BYSKOV等人運(yùn)用商業(yè)代碼精細(xì)/渦輪，由粒子圖像測(cè)速（PIV）和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)激光多普勒測(cè)速儀（LDV）做了在設(shè)計(jì)大型離心泵渦模擬流程率和關(guān)閉設(shè)計(jì)流量預(yù)測(cè)泵特色，并與預(yù)測(cè)結(jié)果吻合良好。在中國(guó)，趙等人使用移動(dòng)參考框架，做了耦合葉輪，蝸殼模擬在離心式水泵流量的預(yù)測(cè)性能，F(xiàn)UENT，陳等人，模擬了一個(gè)單一的非定常流道泵，以上結(jié)果都與帶泵試驗(yàn)數(shù)據(jù)相一致。
前面提到通過(guò)數(shù)值模擬預(yù)測(cè)方法的離心式水泵的業(yè)績(jī)成就，是相當(dāng)令人鼓舞的，這些方法越來(lái)越廣泛地應(yīng)用在泵水力設(shè)計(jì)。然而，大多數(shù)研究只關(guān)心一種泵，前人研究的預(yù)測(cè)模型沒(méi)有任何特色。更關(guān)鍵的問(wèn)題是如何處理與葉輪和蝸殼的差距，以及如何考慮電網(wǎng)數(shù)效應(yīng)。所以，以前的研究結(jié)果不具有代表性和普遍性。我們本文的目標(biāo)是詳細(xì)評(píng)估數(shù)值精度的預(yù)測(cè)方法。因此，6個(gè)典型的離心泵作為研究模型，并選擇了FLUENT軟件用來(lái)設(shè)計(jì)小和大流量水泵的模擬條件。FLUENT軟件選擇了k -ε湍流模型和SIMPLEC算法標(biāo)準(zhǔn)，仿真是穩(wěn)定并且移動(dòng)參考框架是用來(lái)考慮轉(zhuǎn)子定子的互動(dòng)。依法取得模擬頭該模型的效率曲線，并進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。此外，流場(chǎng)也進(jìn)行了分析。
2、 研究模型及其預(yù)測(cè)算法
該模型的具體速度由34至260不等，實(shí)驗(yàn)和幾何參數(shù)以及設(shè)計(jì)流量列于表。葉輪的三維模型，蝸殼和吸力由專業(yè)軟件Pro / E制作及葉輪和蝸殼之間被追加到差距葉輪（如圖所示。1）。葉輪和蝸殼進(jìn)口適當(dāng)延長(zhǎng)以減少出口在內(nèi)部流動(dòng)的邊界條件的影響。開局時(shí)，F(xiàn)LUENT軟件的預(yù)處理器，是用于生成網(wǎng)格模型和網(wǎng)格質(zhì)量檢查。由于該泵的幾何尺寸是非常復(fù)雜的，采用“EquiAngle傾斜”和“EquiSize斜交網(wǎng)格產(chǎn)生的“四面體網(wǎng)格均小于0.87，因此電網(wǎng)質(zhì)量是好的。相對(duì)論的網(wǎng)格數(shù)考試工作被應(yīng)用于每個(gè)模式。當(dāng)泵上的網(wǎng)格數(shù)量的影響特色小于2％，其效果將被忽略。收斂殘差精度為0.00001。
圖1、第4號(hào)泵的計(jì)算區(qū)
2.1模型實(shí)驗(yàn)研究
所有的模型泵在江蘇大學(xué)進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)過(guò)程是開放循環(huán)的，包括水庫(kù)開放給空氣，吸入閥，一個(gè)測(cè)試泵，排水管道和一個(gè)排放閥。每個(gè)模型泵有一個(gè)單一的軸向吸力和蝸殼。在循環(huán)中，水被抽出，并返回到一個(gè)巨大的水庫(kù)。流速為受放電閥和電磁流量計(jì)測(cè)量。轉(zhuǎn)速由加信號(hào)檢測(cè)。
流量不確定性被發(fā)現(xiàn)總是小于0.5％。頭和效率的不確定性，一直保持1％和1.5％。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示于表中。
2.2邊界條件
入口邊界條件：假設(shè)進(jìn)口速度在軸方向一致，其價(jià)值等于比流量和入口區(qū)：
其中Q是流量，泵的進(jìn)口和湍流動(dòng)能耗散率在進(jìn)口處的εin可以通過(guò)以下公式估算：
其中L是湍流尺度和l = 0.07Din，Cμ= 0.09。
出口邊界條件：“流出”的實(shí)施泵出口比重和流速設(shè)置為1。
墻邊界條件：無(wú)滑移條件執(zhí)行在墻面和標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)應(yīng)用于鄰近地區(qū)。
2.3預(yù)測(cè)算法
頭H是由下列公式計(jì)算：
其中噘嘴是在蝸殼出口總壓，引腳是在葉輪進(jìn)口總壓，ρ為液體密度，g是重力加速度。
液壓效率ηh計(jì)算公式為：
其中M是葉輪扭矩，ω是角速度。
容積效率ηv計(jì)算公式為：
總效率η計(jì)算公式為：
其中Pe是水電及Pe=ρgqH，ΔPd是磁盤摩擦損失，其計(jì)算方法是參數(shù)法。
3預(yù)測(cè)結(jié)果與分析
圖、2顯示性能預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)曲線，包括流量水頭和流量曲線率效率曲線。據(jù)圖中的數(shù)據(jù)二，預(yù)測(cè)誤差可以計(jì)算如下：
其中ΔH是頭部的差異，Δη是效率差異，Hp是頭部預(yù)測(cè)，He是實(shí)驗(yàn)頭，ηp是預(yù)測(cè)的總有效率，ηe是實(shí)驗(yàn)總效率。
計(jì)算結(jié)果差異：所有的流量頭部的每個(gè)模型，預(yù)測(cè)最大差異為4.81％，最小誤差為0.24％，平均差距是2.49％，最大的差異預(yù)測(cè)總效率為4.52％，最小誤差為0.08％，平均誤差為2.02％。流量設(shè)計(jì)率，預(yù)測(cè)頭部最大的差距是4.81％，最低的差距為0.65％，平均差距2.02％，而最大的差異總預(yù)測(cè)效率為4.42％，最小誤差為0.54％;平均誤差為2.4％。計(jì)算表明，所有的差異都在5％以內(nèi)。
更多信息可從差異計(jì)算。預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)效能沒(méi)有顯示相同的趨勢(shì)，這意味著前者是大于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而后者可能較小，等差異是頭部和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)效率差異。分析還表明，業(yè)績(jī)預(yù)測(cè)精度在設(shè)計(jì)流量不是最高的。
4.內(nèi)部不同流動(dòng)點(diǎn)流場(chǎng)分析
4.1靜壓分布
如圖3所示，在不同的流速下，從葉輪進(jìn)口到出口的靜壓逐步增加，并且靜態(tài)壓力側(cè)壓力明顯大于在同一側(cè)同半徑吸葉輪壓力。根據(jù)等壓線密度發(fā)現(xiàn)，靜壓增加流速緩慢。
在小流速時(shí)，在吸力面的葉片進(jìn)口有一個(gè)明顯的低壓區(qū)，特別是在流動(dòng)通道1，23，在空化易發(fā)生。當(dāng)流量增加時(shí)，該地區(qū)接近葉片中的吸力面，特別是在流動(dòng)通道1，2和3。關(guān)于擴(kuò)散蝸殼出口段靜壓明顯在小和設(shè)計(jì)流量的增加而在同一個(gè)地方的靜態(tài)壓力下降明顯在大由于流減水率的限制和設(shè)計(jì)流量較大的偏移，分布在葉輪和蝸殼的靜壓變得明顯紊亂和不統(tǒng)一，特別是舌頭蝸殼的附近。
4.2相對(duì)速度的分布
如圖4所示，相對(duì)速度在任何流量不同的水流通道的分布顯然是不同的，這表明，蝸殼對(duì)葉輪內(nèi)部流動(dòng)具有重要作用。對(duì)于不同的流率，特別是在不同的流動(dòng)通道1，2和3，葉輪的相對(duì)速度分布明顯不同。在小流量的葉片壓力面，有一個(gè)相對(duì)速度較低的很大的“死水“地帶。由于泵流量的增加，該區(qū)域逐漸變小，特別是在流道2。同時(shí)，從入口運(yùn)放的分布可以發(fā)現(xiàn)，該方向的非設(shè)計(jì)流程率在葉片進(jìn)口的速度變化明顯，從而導(dǎo)致對(duì)刀片產(chǎn)生重大影響。該事件在大流量的角度是消極的，在小流量是積極的，這與理論分析吻合。
5結(jié)論
本文用商業(yè)軟件FLUENT，耦合模擬六詳細(xì)介紹了離心泵在不同流量預(yù)測(cè)模型及特征離心泵是成立的。以及如何處理葉輪和蝸殼之間的差距，提出和網(wǎng)格數(shù)量的影響。主要研究結(jié)論如下。
（1）頭部和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的差異總有效率均小于5％。對(duì)于所有流量的每一個(gè)模型，總平均誤差為2.49％和預(yù)測(cè)平均誤差為2.02％。頭部和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的效率不顯示同樣的趨勢(shì)且設(shè)計(jì)流量的性能預(yù)測(cè)精度不是最高的。
（2）在小流量葉片進(jìn)口端有一個(gè)明顯低壓區(qū)，隨著流量的增加，該地區(qū)接近葉片吸力面的中間。小設(shè)計(jì)流量該蝸殼出口段靜態(tài)壓力擴(kuò)散顯著增加，而在大流量在同一個(gè)地方的靜態(tài)壓力明顯下降。由于泵的流量的增加，“死水”地帶逐漸變小。在葉片進(jìn)口的速度變化明顯，在非設(shè)計(jì)流程時(shí)。入射角在大流量的是消極的，它在小流量是積極。
（3）本文研究表明，該數(shù)值方法對(duì)離心泵性能產(chǎn)生了良好的預(yù)測(cè)，可應(yīng)用于實(shí)踐。
圖 3。3號(hào)靜泵面臨的壓力分布（kPa）
圖 4。第3號(hào)泵葉輪中面相對(duì)速度分配及其在入口運(yùn)放的分布（米/秒）
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