叶轮进口几何效应对空化性能的基于径向基函数的离心泵

文摘

针对空化问题,改变了叶片前缘形状来分析它对离心泵的空化性能的影响。和响应模型建立了基于径向基函数。的实例计算结果表明,前缘向前延伸的裹尸布可以提高进气道流条件和空化性能。但空化性能降低时非常前缘向后延伸沿裹尸布。随着沿着中心前缘向前延伸,增加起初然后减少的空化性能。更好的对离心泵汽蚀性能低负载的叶片进口和更高的叶片吸力面压力。压力脉动是影响涡的叶轮和空化气泡的下降和崩溃。降低压力脉动的叶片通过频率和第二个谐波的样品是,气蚀性能越好。一个相对准确的响应模型建立了基于径向基函数预测叶片前缘的形状的影响在离心泵的汽蚀性能。

1。介绍

空化是非常复杂的现象,通常出现在液压机械。它已经严重影响泵的水力性能和稳定性。空化发生在当地的压力低于液体的蒸汽压。当时,蒸汽泡沫出现,发展,和崩溃在高压力区以及液体的运动(1]。在水力机械空化是非常有害的。它将导致振动2),噪声(3,4),腐蚀和损伤(5的流道组件,性能下降(6液压机械,等等。

在水力机械中,有许多因素影响空化性能如叶轮进口直径、叶轮轮毂直径、叶片进口角,叶片前缘形状,叶片通过喉咙面积,叶片厚度和数量,叶片表面粗糙度,吸入室通道形状和诱导物的形状。目前,针对这些因素,人们做了许多有意义的工作这一领域的研究人员。Schiavello和维瑟7)综合分析这些影响因素对泵的汽蚀和提出一个方法来判断空化强度的标准和控制泡沫的发展。魏et al。8)认为是叶轮的几何参数,得出实际可行的方法来提高离心泵的汽蚀性能。Acosta et al。9)和巴克尔et al。10]对比不同扫描角的诱导物叶片前缘和有诱导物叶片前缘高汽蚀性能,分析不同类型的空化的出现和发展。Balasubramanian et al。11)对比不同形状的叶片前缘和提出抛物型叶片前缘将提高叶轮的汽蚀性能和延长寿命。风扇等。12)得出的结论是,叶片前缘的隆起向叶轮的入口方向较大,和离心泵的汽蚀性能更差。杨et al。13)提出,适当延长叶片前缘向流向可以提高有效双吸离心泵的汽蚀性能。罗等。14)提出,叶轮入口的流动均匀性可以有效改善离心泵的汽蚀性能通过延长叶片前缘和增加了叶片进口角。

叶片前缘的形状对离心泵的汽蚀性能有很大影响。在本研究中,响应模型基于径向基函数(RBF)方法提出了预测叶片前缘形状的影响在离心泵的汽蚀性能。离心泵的空化流动与稳定、非定常流模拟。泡沫分布叶轮,叶片负载和压力波动的特点分析了蜗壳在不同区域的实验设计(DOE)样本。离心泵的汽蚀性能之间的近似模型,建立了叶片前缘形状使用径向基函数方法。

2。径向基函数技术

2.1。RBF的概述

径向基函数是一种近似插值方法。1982年,因特网15)创新提出了插入随机分维表面由RBF方法和插值的可靠性和准确性。土耳其和奥布莱恩16)实现复杂空间曲面的重建插值随机点和合理选择约束点。Buhmann [17]证明了RBF的近似过程的收敛方法和近似解的唯一性存在和研究一些新的实际应用。

作为一种插值方法,RBF的本质是实现新的数据拟合通过学习从现有的基准。稳定性和准确性已被证明。它有很强的适应所面临的复杂问题,如高维度,多变量,非线性,大量的数据,等等。目前,RBF方法已用于许多领域,如表面重建(18- - - - - -21),网格变形(22- - - - - -24),优化方法(25,26],和流体结构相互作用[27]。

2.2。算法的RBF

RBF的公式如下: 在哪里采样点的数量,设计变量的向量,设计变量的向量样本点,径向基函数,系数在吗径向基函数,和是欧几里得范数,它是设计变量和样本之间的欧氏距离。对于三维空间,它可以表示如下:

径向基函数的常见形式是线性的()、立方(),利用薄板样条(),高斯()、逆multiquadric (),等等。

一般来说,径向基函数可分为三种形式:全球、地方、和紧凑的函数(28]。高斯形式属于全局函数插值是依赖于所有数据点。是强烈的非线性函数具有很强的泛化能力,能适应完全非线性问题。高斯的优点已被证明在复杂表面的插值29日]。高斯被用在这个研究中,表达式 在哪里是一个正实数和。

首先,一组采样点欧几里得空间中得到。相应的功能解决方案。相应的RBF系数可以通过在每一个采样点(1)。然后基准范围内现有的空间可以通过插值预测每个样本点之间的数据根据(1)。

必须考虑误差响应模型,和多个决定的调整系数均方根误差和均方根误差作为重要的参考,的范围从0到1,拟合精度更高的什么时候接近1。

3所示。设计的实验和数值模拟

3.1。实验设计

本文研究了原型泵m128 - 200单级单吸离心泵。给出了水力性能参数表1。

为了研究叶片前缘的形状的影响空化性能,叶片前缘是参数化设计的实验样本,而叶轮的子午线形状保持不变。

在子午面,叶片前缘扩展在裹尸布对叶轮入口的方向称为叶片前缘推(FS)沿着裹尸布。沿着裹尸布和叶片前缘扩展向叶轮出口的方向称为叶片前缘back-sweep沿着裹尸布(BS)。其他两种情况,分别称为叶片前缘FS沿着中心和叶片前缘BS沿着中心。给出了具体的细节图1。

在这个研究中,叶片前缘的形状参数化通过引入控制变量的扰动FS和BS裹尸布和中心。这些扰动是基于原型设计。参数设置用于参数化离心泵叶片前缘。分别在这个集合中,裹尸布和中心代表,叶片前缘的角沿着裹尸布和中心。积极的和消极的代表分别FS和BS。中央合成设计根据参数集实现。实验设计如下:,,,,。

3.2。数值模拟

体积和圆盘摩擦损失估计使用经验方法。计算域包括部分管、叶轮、蜗壳、放电管。每一个计算域离散,收于近壁区域电网。网格独立性测试使水力性能参数的变化在0.5%以内和网格实现号码是150万。

泵的内部流场模拟使用商业软件流利。速度和压力耦合利用SIMPLEC算法。对海温使用湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型。空化气泡平均直径是2×10⁻⁶米,饱和蒸汽压是3540 Pa。

首先,noncavitation流离心泵模拟,然后稳定空化模拟结果的基础上。离心泵的空化流动模拟通过减少在泵进口压力。随着进口压力的减少,空泡在离心泵加剧,导致每个水力性能参数的降低。相应的空泡边缘NPSHa作为所需的空泡边缘吗NPSHr当头部下降约3%。稳定的数值模拟的结果作为初始值的非定常数值模拟。假设的离心泵叶轮旋转一圈T。叶轮旋转时3°是作为一个时间步,= 0.00017241 s。

水力性能对比实验和CFD结果呈现在图2。他们比赛最好。

4所示。结果与讨论

4.1。叶轮内部流场的分析

随着压力的降低,在离心泵气蚀出现并逐渐加重。空化气泡最初出现在低压区定位的叶轮叶片前缘吸力面附近的裹尸布。空化时加重,泡沫逐渐延伸至沿叶片叶轮出口。空化区域的范围变得更广泛,对叶片压力面延伸。因此,叶轮通道被阻塞部分,使液体会迅速地通过空化区域。由于扩大通道背后的空化区域,流体的速度下降,导致涡流形式在这个区域。此外,压力面和吸力面之间的压力差使得涡区域稳定。叶片的空化性能曲线如图样品3。

在图3,当入口压力高,noncavitation状态和头部不受影响。随着压力的降低,在离心泵气蚀出现并逐渐加重,导致的减少。当进口压力足够低,完全在离心泵空化状态,大幅下降。

叶片FS在裹尸布能促进头部和效率略和得到更好的空化性能。然后沿着裹尸布减少了叶片BS,效率和汽蚀性能。但叶片FS和BS沿着中心,分别促进和减少头部和效率,他们都有轻微的空化性能的影响。

当叶片角FS和BS沿着裹尸布和中心不同,相应的空化性能相对不同。气泡的分布在中跨图所示4,当NPSHa是3.31米。

如图4离心泵的汽蚀性能大大影响叶片前缘的位置变化时裹尸布。叶片沿着裹尸布FS可以显著地减少叶轮的空化区域的范围。因为压力在叶片吸力面附近的前缘裹尸布相对低,气泡出现在那个地区。液体进入从叶片叶轮获得能量,当叶片前缘FS裹尸布。的压力在这个区域是提升和水流条件改善了叶轮入口处。因此,空化性能提升。相反,叶片BS沿着裹尸布大大减少气蚀性能。然而,叶片前缘附近的中心的位置对离心泵的汽蚀性能有轻微影响。气泡的分布在中跨小当FS角度变化很小。但气泡面积扩大显然当FS角度大,叶轮入口通道被阻塞严重的超大的叶片FS角沿中心。 The flow uniformity is destroyed that leads the decline of cavitation performance, while the blade BS along the hub has slight effect on the distribution of bubbles at midspan and the distribution area of bubbles is enlarged along with the increase of BS angle.

此外,由于不对称蜗壳通道,叶轮和蜗壳之间的耦合使叶片表面压力分布的不对称。因此,在每个叶轮通道气泡的分布是不对称与叶片之间的相对位置和舌头。

4.2。叶片载荷分布的分析

压力面之间的压力(PS)和吸力面(SS)相同的叶片在相同的半径是作为负载。不同叶片前缘的叶片载荷分布在中跨图所示5。

原来的叶片载荷分布如图5(一个)。压力侧的压力变化是复杂的。有一个压力最低0.08相对位置背后的叶片入口。它可以解释为,边界层分离发生在那个地方30.]。进口侧的压力逐渐增加。随着进口压力的下降,压力和吸力面下降的压力。压力在空化气泡覆盖的面积几乎是零。所以空化的程度可以判断叶片叶片负荷的分布。

如图5 (b)沿着裹尸布,叶片FS导致压力面压力的下降,下降程度是更大的在前面和中部叶片的一部分。与原来的叶片,吸力面较低部分的压力在中部和尾部叶片的一部分,但更高的入口处。当离心泵入口处的压力下降,泡沫生成的原始叶片的概率高于FS叶片沿裹尸布。所以离心的空化性能大大提高。压力侧的压力几乎是相同的叶片在前面和较低的中部和尾部的叶片,叶片时,男朋友在裹尸布。吸力面下滑的压力显然尤其是入口处,导致一个糟糕的空化性能。

在图5 (c),压力在前部和中部叶片压力面下降很明显,但这是几乎相同的后方的叶片,叶片时FS沿着中心。所以空化性能的变化不明显。当叶片BS沿着中心,入口处的吸力面压力低于原来的叶片。所以它的空化性能不好。如图5 (d)沿着中心,适当的FS角可以提高空化性能。

因此,气蚀性能可以判断叶片载荷分布在中跨noncavitation的状态。

4.3。在蜗壳压力脉动的分析

离心泵的压力脉动产生的不对称蜗壳通道、叶轮和蜗壳之间的静。在空化,开发和空化泡沫的破裂对离心泵的压力脉动的影响。

10个监视点设置监控压力脉动流场的蜗壳,如图6。点的压力脉动振幅蜗壳图所示7礼物,舌头(点)有很大影响蜗壳的压力脉动。

最大压力脉动振幅100726 Pa,发生在舌头。压力脉动的强度的相对距离有关的舌头。附近的压力脉动的舌头比其他领域的不对称蜗壳通道。所以动静干涉作用最密集和流体最受限制的舌头。激发所产生的压力脉动的舌头有很大影响离心泵的振动和噪声,和空化的发展程度的效果是明显的31日]。因此,在本文的压力脉动的舌头(点)被认为是当NPSHa是3.31米。

FS和BS叶片沿裹尸布对压力脉动的影响大于FS和BS刀片中心。的影响如表所示2。这礼物FS叶片沿裹尸布可以明显减少的最大压力脉动振幅的舌头。

的压力脉动不同的样品转化为压力信号在频域的快速傅里叶变换,如图8。有上涨的压力脉动振幅的影响转动频率,叶片通过频率及其谐波频率。叶片通过频率290赫兹叶轮的转速2900 r / min,叶片数量是6。如图8叶片通过频率是影响压力脉动的主要因素。和空化程度的加重,压力脉动振幅叶片叶片通过频率和二次谐波的频率也会增加。

如图8(一个),比较原始的叶片,压力脉动振幅FS叶片的裹尸布,得到一个稳定的空化性能低。相反,随着BS沿着裹尸布角的增加,压力脉动更为加剧。当NPSHa是3.31米,内部离心泵full-cavitation条件。泡沫范围宽;因此,通道被阻塞和叶轮的流体扰动。流动状态是混乱从叶片前缘到后缘。能显著影响流体进入蜗壳和导致涡的生成。因此,在蜗壳对压力脉动的影响。离心泵的正常压力脉动也被泡沫的下降和崩溃。这两个原因使这些样品的压力脉动之间的区别。FS和BS叶片裹尸布对蜗壳的脉动压力有明显影响。因此,和样品比较强烈。3样品的涡量分布呈现在图9。可以反映涡的强度提出了流体速度矢量的旋转的涡度。的样品可以明显减少舌头,附近的涡量强度如图9。所以FS叶片沿裹尸布可以降低压力脉动和得到更好的空化性能比其他样本。

类似于图8(一个),图8 (b)还表明,压力脉动的振幅可以反映空化性能。随着沿着中心FS角的增加,压力脉动振幅首先降低,然后增加。因为FS和BS沿着中心有轻微影响流叶轮入口处,涡的分布几乎是相同的样本。所以空化性能略有沿着中心位置的影响。

5。径向基函数响应模型的空化性能

在这个研究中,叶片前缘形状对空化的影响是由径向基函数预测的性能。在一定范围内,样品都越多,更精确的响应模型。裹尸布的扫描角和中心作为设计变量,和所需的空化NPSHr离心泵作为响应值。详细介绍了RBF方法和能源部的部分2和3。径向基函数响应模型使用MATLAB代码。响应模型图所示的结果10。

为了验证近似模型的准确性,径向基函数的响应结果的比较与CFD结果如表所示3。

如表所示3预测,最大相对误差为6.888%。多个确定的调整系数和均方根误差。提出RBF响应模型相对准确,叶片前缘位置的影响离心泵的汽蚀性能可以准确地反映出来。

6。结论

(我)在这个研究中,不同的叶片前缘形状的影响泵的空化性能研究。提前进入叶轮受到能量流由于FS叶片沿裹尸布。提高叶轮入口的流动状态,所以空化性能得到了改进。叶片前缘的位置沿中心对离心泵汽蚀性能有轻微影响。适当的FS角沿中心可以提高空化性能,但当FS角沿中心是超大的,入口被阻塞严重和空化性能降低。(2)空化性能可以判断叶片载荷分布。叶片负荷越低入口附近,在吸入端压力越高,气蚀性能越好。(3)随着空化性能的降低,叶片通过频率和叶片通过频率的二次谐波在蜗壳更激烈由于漩涡的叶轮和减少泡沫的崩溃。的状态可以反映空化压力脉动的强度。FS叶片沿裹尸布低涡量强度和低压力脉动的振幅在蜗壳更好的空化性能比其他叶片样本。(iv)空化性能响应模型建立了基于径向基函数的。裹尸布的扫描角和中心作为设计变量,和所需的空化NPSHr离心泵作为响应值。响应模型是相对准确。叶片前缘的形状的影响在离心泵的汽蚀性能可以准确地预测。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究是由中国国家自然科学基金(批准号51469014)和中国国家重点研究和发展计划(批准号20016 yfb0200901)。支持感激地承认。

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