不稳定流动特性分析离心泵在部分负荷下基于dde湍流模型

文摘

更好地揭示的机制之间的动静干涉干涉叶轮和导叶失速涡的演化过程在部分负荷条件下,数值模拟是进行基于dde湍流模型,可以更好地捕捉旋涡结构。压力脉动和离心泵的径向速度分布进行了研究。涡的结构和部分负荷条件下泵内部流场的压力波动问= 0.4问_des主要是分析。分析结果表明,在进口的失速涡形成叶轮和叶轮的出口发展,后盖的封面根据流体流动的方向,然后就消失了。除此之外,在部分负荷条件下,叶轮出口总是明显的涡度小于叶轮入口的流量也在不断增加。由于不对称蜗壳的行动,流道C1的径向速度分布规律不同于其他流动通道在不同叶片高度。通过分析径向速度,jet-wake流现象,影响导叶与叶轮的旋转是动静干涉干扰的主要原因。和大型径向速度梯度出现前后盖板,将造成能量损失,降低泵效率高。除此之外,可以得出结论,该地区最强大的动静干涉干涉的入口区域导叶吸力面。它也发生在蜗舌附近,但由于导流叶片的影响较低。本研究可以作为参考部分负荷条件下离心泵的安全运行。

1。介绍

如今,随着科学技术的发展,泵,尤其是离心泵,是一个不可或缺的动力机械无处不在,我们可以看到,广泛应用于农业、航空航天、水利工程、核工业、医疗(1- - - - - -3]。在这个时代背景下,国内外越来越多的学者专注于离心泵的试验和研究。邹et al。4李,et al。5),而云et al。6)所有研究离心泵在启动过程中,获取内部流场的演化特征和分析一些液体的现象,它可以提供一些参考的研究原型泵的启动时间。机械装置的能量转换和流体运输、动静干涉作用(RSI)的主要因素是离心泵的振动和噪声。和泵的噪音和振动的程度的一个重要指标,以反映是否运作正常。基于《声学类比理论,如果et al。7)得出的结论是,偶极子可以用来反映多级离心泵的辐射噪声及其主导频率是通过叶片的频率(带通滤波器),证明动静干涉作用是主要的噪声源。为了减少离心泵的噪音,刘等人。8和戴秉国et al。9)进行了数值模拟和实验测试多少泵的性能可以通过使用不同的仿生结构改善。泵的广泛应用,其媒介不再仅仅是一个流体,但两个甚至三个阶段,如气-液/固液两相流,大型顺从离心泵内部流动和外部特征与单相流(10,11]。

肢体重复性劳损症是经典物理现象的叶片式旋转机械,有一个重要的影响操作旋转件的稳定和安全。作为一个典型的和广泛使用的旋转机械,RSI的离心泵操作时变成了一个越来越流行的研究问题。目前,数值模拟和实验是肢体重复性劳损症的主要研究方法,主要揭示了流场结构和时频域分析的压力脉动特性。曹等人,罗德里格斯et al。12,13]进行研究来获取不稳定流动特性和肢体重复性劳损症引起的压力脉动特性之间的导向叶片和叶轮离心泵,获得的结论是,压力脉动的主要频率基本一致的叶片通过频率和压力脉动曲线的高峰和低谷的数量与刀片重合。此外,伊萨et al。14]探索RSI在稳定和不稳定的影响径向力之间的离心叶轮叶片和蜗舌。和实验曲线和数值的有一个很好的协议。除了离心泵,李et al。15)高级研究基于直径模式理论分析水泵的RSI在涡轮模型模型,表明无叶片的区域的变化规律。

近几十年来,越来越多的研究人员关注失速涡的研究,这是一个典型的现象是由于流动分离在叶尖区域链接到流速的突然下降。探索其形成机制,大多数研究关注领域的压缩机、轴流式泵,和混流泵16- - - - - -19]。更好地捕捉涡结构和获得更优良的流场信息,许多学者介绍了dd湍流模型转换为旋转机械的数值模拟分析,这是目前相对准确的湍流模型(20.- - - - - -22]。但目前,该方法应用更多的压缩机和泵(23- - - - - -26]。因此,本文的主要工作是进行流场的dd分析离心泵的非设计工况条件,揭示肢体重复性劳损症的机理和失速涡的形成机制,这对减少压力脉动可以提供一些参考和改进内部流场和效率。

2。数值设置

2.1。离心泵的基本参数

摘要离心泵主要由一个入口,叶轮、导叶、蜗壳和出口。的基本参数设计条件如下:设计流量问_des= 40米³设计主管/ hH= 60米,和旋转速度n= 2900 rpm。叶轮的基本参数如下:出口直径D1 = 223毫米,出口宽度b1 = 8毫米,叶片数Z1 = 6。导叶的基本参数如下:入口直径D2 = 228毫米,出口直径D3 = 283,叶宽b3 = 10毫米,叶片数Z2 = 5。蜗壳的基本参数如下:底座直径D4 = 284,入口宽度b4 = 19毫米。以确保实验结果的准确性,泵体和叶轮是由有机玻璃和导叶使用聚氯乙烯。图1显示了泵的实验模型。

2.2。数值模型

3 d模型的一个实验性的离心泵进行了证明。三维模型的数值计算网格除以ICEM六面体的结构化网格。分格图所示的结果2。为了确保准确计算壁流,周围的网格墙应该被加密,平均水平Y应该低于100 +。边界层的价值y+不超过100。图3礼物的分布Y+的离心泵。应用ANSYS大型数值模拟软件CFX计算模型。dd湍流模型应用于本文。采用静态压力入口边界条件,质量流率是边界条件设置为一个出口。无衬采用墙墙。稳定仿真作为初始瞬态模拟的计算条件。时间步长设置为5.75×10⁻⁵年代,也被描述为1°旋转的叶轮。计算周期是360步;共有10个周期计算。

充分利用计算资源,确保计算结果的准确性,网格进行独立验证。在设计条件下,头部和离心泵的效率分别71.8%和59.4。在这篇文章中,有四个方案的网格划分;网格独立验证的结果显示在表中1。如表所示1,和效率的离心泵时不再增加网格数量大于第三方案,方案3和方案4的错误都是低于0.02。因此,第三组网格数据被选中作为数值模拟的网格,考虑到时间和成本的计算。

2.3。实验验证

保证数值模拟的结果可以用来分析离心泵的内部流场,外部特征的数值模拟结果和实验比较,呈现在图4。根据图中,曲线的趋势是一致的整体误差在5.8%以内。和设计条件下(问= 40 m³/ h)的结果误差和效率分别为5.7%和2.2%,分别。当离心泵流量大于0.4问_des,这表明,数值模拟结果具有一定的可信度,可以用来分析离心泵的流场。

3所示。结果和讨论

图5介绍了离心泵的结构。在本文中,导游叶片命名b1,b2……b5在逆时针方向。用相同的命名规则,相邻叶片之间的流动通道命名为导叶c1,c2,…c5,和流之间的通道相邻叶片叶轮命名的C1,C2,…C5。

图6说明了涡分布的中间部分叶轮在不同工作条件。大量的漩涡出现在叶轮流道,随着流量的增加减少。这是由于大区别流体在叶轮进口气流角和位置角的叶轮叶片在小流量情况下,导致流体绕流叶片的前缘,减少吸力面附近的流速,和吸力面边界层的分离,从而形成大量的漩涡。当流量过低,很容易形成一个漩涡在叶轮的进口,导致旋转失速现象。当流量增加了0.6问_des边界层分离点稍微下游移动,但失速涡不显著减少的数量,和涡度在叶轮的进口显著低于在叶轮的出口。主要原因是下游渠道比叶轮入口通道,广泛和涡流通道的阻断能力很差。因此,叶轮出口的涡度在0.6的条件问_des低于0.4问_des。下问_des叶轮通道条件,失速涡在叶轮进口和出口都消失了,整个叶轮和涡度小于1000年代⁻¹。它说明了失速涡生成的旋转失速的下游流结构产生重大影响。

揭示失速涡的演变及其影响下游流结构问应用标准,广泛使用涡旋识别、确定叶轮入口的涡带。的问标准是基于当地的分解速度梯度张量D_ijD_ij=年代_ij+ ,年代_ij是一个对称张量,是一个反对称张量,代表变形和流体的旋转部分,分别。特征方程可以描述为λ³+Pλ²+Qλ+R= 0,P, Q,和R速度梯度张量不变量。问被定义为

图7提出了涡结构叶轮进口的比较在不同的时间在0.4的条件问_d。5所示,复杂的涡结构和高湍动能出现在叶轮流道的入口,这是由旋转摊位在低流量。由于在叶轮进口失速涡的分布不均,摊位漩涡附近的封面封底附近的多。造成的失速涡最初边界层脱落在叶轮叶片的前缘吸力。大部分发展下游沿叶片压力面,和一小部分流动下游沿叶片吸力面。没有明显的失速涡集群后盖板附近的叶轮,它表明,叶轮入口附近的前盖板部分流动条件下涡的影响。流动通道被阻塞,导致可怜的流量,而且没有封面板附近的漩涡,导致一个强大的流量。此外,由于流道是不能完全被漩涡,几乎没有差异的分布涡在叶轮流道在不同的时间。

研究在不同叶片涡的分布高度及其对下游流场的影响,图8描绘了涡度和速度矢量分布。可以看出,当接近前盖板,大面积的涡度大于2000年代⁻¹出现在流动通道的入口,和地方叶轮的中间截面的涡度大于2000年代⁻¹进入流道,面积小。与此同时,该地区附近的后盖涡大于2000年代⁻¹更倾向于流道的内部,和面积变得越来越小。这一现象说明了叶轮进口的失速涡的发展从叶轮进口到叶轮出口,从封面到后盖,最后消失了。从速度矢量图,失速涡集群有显著影响下游流结构在进化过程中。当大量的漩涡出现在叶轮进口,出口也将产生流动分离和后现象,和大量的漩涡将阻止流路径。

图9提供了径向速度变化的叶轮出口接近封面,中间部分,和一个周期的后盖,黑色虚线表明叶轮叶片的位置,白色虚线表明导流叶片叶片的位置,黑色线表明,径向速度是0,和黑色箭头指示的方向旋转的叶轮。在叶轮旋转,径向速度的分布在不同的叶片高度,而叶轮出口的径向速度分布非常相似的每个导叶通道,这说明了液体可以均匀地进入导叶通道。通过比较不同导流叶片的径向速度频道,频道C从其他渠道1略有不同。烛煤的正径向速度C1是高于其他封面附近的通道,同时,负径向速度区油页岩的面积C1是比其他渠道的中间部分和后盖。此外,流道的出口C1是蜗舌所在的区域,表明蜗壳的非对称结构有很强的影响在叶轮的出口流场。

通过对比叶轮出口的径向速度在不同的时间,可以看出,径向速度的叶轮出口呈现明显的周期性波动,这是由于叶轮和导叶之间的带通滤波器。在不同叶片高度、高径向速度区发生在所有叶轮叶片表面的压力,和低径向速度之间的区域出现在叶片厚度区域叶片压力面和吸力面。基于这种分析,可以知道,明显jet-wake流叶片后缘及其结构显示了明显的变化。当叶轮叶片的吸力面旋转叶片的压力面叶片通道,射流区域的径向速度逐渐增加;相比之下,尾流区域的径向速度逐渐降低。同时,径向速度变得消极时通过导叶的中间渠道。的径向速度射流面积急剧减少,变得消极时,叶轮叶片和导叶的叶片相交,而径向速度的射流区和尾流区同时增加立即通过导叶后,变得积极。此外,通过导叶与叶轮叶片,径向速度的快速变化将导致大量的能量损失和严重的压力波动。鉴于以上分析,结论可以交付的现象,导叶刀片削减jet-wake流叶轮叶片动态和静态干扰的主要原因是叶轮和导叶之间。同时,叶轮的径向速度出口附近的封面叶轮主要是小于0,和中间部分的叶轮的径向速度大于靠近封面; its value reaches the maximum while in the position near rear cover. What is more, the large radial velocity gradient on the front and rear cover will result in high energy loss and reduce the efficiency of the centrifugal pump.

压叶轮表面的边界层流动路径分隔,形成一个漩涡在小流量条件下,如图10。与目前相比,导流叶片通道和叶轮通道重叠,涡的范围是相交时小得多。但是大范围的涡流会导致某些阻碍叶轮通道。通过观察轴面流线图,形成的涡流也会导向叶片吸力面通道,这将引起回流在封面和增加流后盖。这就是为什么封面的径向速度小于0,后盖远远大于0在序言中提到。没有大规模的漩涡,可以阻止在导向叶片的压力面流动路径通道,所以流量导向叶片的压力面附近的通道比这更强大和更稳定的吸力面。

提出了离心泵的监视点11。沿着流动方向的导向叶片,它们叫DP1, DP2,…, DP5压力面和DS1、DS2、…DS5,吸力面。此外,GS1, GS2 GS3的监视点舌头蜗壳。

图12描述了压力脉动监测分两边的导叶刀片,在哪里一个代表压力脉动频率域的图,b介绍了振幅对应于每个监视的主要频率点,和fn的定义是叶轮的旋转频率。可以看出,压力脉动的主要频率导叶的叶频率,fb,及其倍频。导向叶片的压力面,从导叶进口出口,叶的压力脉动振幅频率及其倍频正逐渐减少。在导叶出口,只有叶片频率振幅更高,而其他频率消失。相应地,在导向叶片的吸力面,从监视点DS1, DS2、叶片的振幅频率首先保持稳定,然后迅速降低。和压力波动的振幅导流叶片吸力面远远高于压力面,这说明了动态和静态干扰最强的导流叶片的吸力面附近。同时,0.2 fn的低频波动出现在进口导叶的低频波动的振幅的吸力面也比表面的压力,进行,旋涡频率的1/5的叶轮的转动频率也发生在进口导叶,和大部分下游传播沿导流叶片吸力面。

在这项研究中,压力系数是用来测量压力波动,这被定义为 在哪里p监测点的静压,Pa;是流体介质的密度,公斤/ m³;和u叶轮出口的圆周速度,m / s。

图13显示了压力波动在蜗舌和振幅零担频率。图后,信息可以捕获压力波动的三个监视点(GS1, GS2 GS3)相似,主要的频率是叶频率6f_n,第二个是叶倍频,频率和复杂低频压力脉动出现。主要的振幅频率相比,当频率是0.2f_n、监控点GS1振幅和GS2最高最低振幅。当频率是4.4f_n,三个监视点的压力脉动振幅几乎是相同的。叶频率和叶倍频,压力脉动振幅逐渐减少从监视点GS1 GS3。从上面的分析,压力脉动强度的监视点GS1通常高于GS2 GS3。内的压力脉动强度的隔膜也低由于低流速。此外,压力脉动的主要频率振幅在蜗舌区为0.006,而吸力面入口的导叶是0.08和0.01,是出口侧入口的压力是0.025和出口是0.005。因此,可以得出结论,该地区最强大的肢体重复性劳损症的入口区域导向叶片吸力面。它也发生在蜗舌附近,但由于导流叶片的影响较低。

4所示。结论

在本文,通过应用dde方法数值模拟,失速涡的演变在离心泵,动态和静态干扰的机理在叶轮和导叶之间,和压力脉动的分析显示。总结上面的分析,我们可以得到以下结论。

叶轮叶片的边界层在进口优惠条件下离心泵运行时的零担,导致涡流的形成。流量越小,更大的涡流,导致叶轮入口的堵塞,从而导致不必要的能量损失和降低离心泵的效率。同样,在设计条件下,叶轮的失速涡在进口和出口处标消失,整个叶轮和涡度小于1 000年代⁻¹,形成最优流动态结构。它表明,旋转失速的失速涡引起的下游流结构产生重大影响。

离心泵叶轮出口的径向速度分布呈现明显的周期性波动。叶轮出口逐渐减少的径向速度从后盖板前盖板在涡流的影响下,回流发生在前盖板,将导致高功率损耗和效率减少由于大型径向速度梯度在正面和背面的封面。

RSI在离心泵的影响主要集中在叶轮的出口和入口导叶。其中,jet-wake流现象,影响导叶与叶轮的旋转动态和静态干扰的主要原因。此外,肢体重复性劳损症的最强烈的地区区域的入口导叶吸力面,虽然激烈的肢体重复性劳损症的蜗舌较低是由于导叶的存在。引入dd湍流模型后,在部分负荷条件下(问= 0.4问_des),失速涡结构可以清楚地捕捉,还有低频(0.2f_n)导流叶片附近的压力波动和舌头。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(批准号51809218),中国博士后科学基金(批准号2018 m643744),陕西省水资源科技项目(批准号2017 slkj-5和2018 slkj-8)。

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