基于非定常數值模擬的微型循環(huán)水泵性能預測

《機電技術(shù)》2010年第2期機電研究及設計制造基于非定常數值模擬的微型循環(huán)水泵性能預測鄭煒(福建省機械科學(xué)研究院，福建福州350005 )摘要:為準確預測微型循環(huán)水泵外特性，分別采用SsT k- o湍流模型和RNG k-ε湍流模型及滑移網(wǎng)格技術(shù)，對微型循環(huán)水泵內葉輪、吸水室、環(huán)形壓水室和進(jìn)出口管的非定常流動(dòng)進(jìn)行了數值模擬，并與試驗進(jìn)行了對比分析，研究表明SST k-w湍流模型的預測精度較高。關(guān)鍵詞:微型循環(huán)水泵;湍流模型;非定常:外特性中圖分類(lèi)號: TH311 文獻標識碼: A文章編號: 1672-4801 (2010) 02-086-03目前，很多學(xué)者應用CFD技術(shù)對離心泵進(jìn)行定C, =0.0845,a, =a, =1.39 .常流動(dòng)數值模擬,在指定的工況下對其揚程、軸功7(1-η/n)率、效率等性能參數進(jìn)行預測，以檢驗其性能是否Cin =C1+ βn達到設計要求"。但同時(shí)研究發(fā)現，由于葉輪復雜的幾何形狀、轉動(dòng)的葉片與靜止的壓水室間的相對C. =1.42,C2e =1.68運動(dòng)、偏離最優(yōu)工況時(shí)吸水室水流圓周運動(dòng)等因素η=(2E, E)IE10u.0u,使得離心泵內部流動(dòng)呈現非定常流動(dòng)的特征。為εax, ax,此,本文采用不同湍流模型對微型循環(huán)水泵進(jìn)行了n。=4.377,βB = 0.012三維非定常計算，預測了其外特性。應用SST k-w湍流模型時(shí)，其k和w方程1數值計算方法如下同:1.1 數學(xué)模型a(ok)。a(pUk).=R - β'pka+-(4)a[-.)周]對于不可壓縮牛頓流體的非定常流動(dòng)，笛卡爾坐標系下的連續方程與運動(dòng)方程可表示為“”6(oU,)PR -Apke'+叢2w」a(@| a(pu)+V.(pu)=0(1)x,+(1- F)2pσ。218k8wo。,)x, J(5)+V.(u)= ρF-Vp+ pAuoax, ax,式中1-水的密度;式中F,- tan h(arg;)u一ρF一質(zhì)量力:-速度矢量;arg, = min max正500) 40.k( B'oy' y'x) CD.y'」p- -壓力;μ一動(dòng)力黏度。CD。= max 2pσw',1.0x10~10為了使上述方程組封閉，對于湍流的處理方oax, x,式，本文采用RNG k-ε 湍流模型和SST k-w湍2內部流場(chǎng)的數值模擬流模型。應用RNG k-ε模型時(shí)，其k和e方程如下“:2.1計算對象及網(wǎng)格劃分a(pk), (phu)__ 8]+G,-pe(2)微型循環(huán)水泵的幾何參數及設計工況參數如下:葉輪外徑=53mm 葉片粉z=8,設計流量3(p) , a(pEu)。8(a.yu o1+C.=g-c.C (3)Qd=中國煤化工Em，轉速n=JYH2940. wra n5-110共口CNM Hea簡(jiǎn)圖如圖1所式中Ha=μ+A A=PC,86機電研究及設計制造《機電技術(shù)》2010年第2期有限體積法對控制方程在空間域上進(jìn)行離散，變量存儲在控制體中心。壓力項采用二階格式，其上他各項均采用QUICK格式。在時(shí)間域上,采用二階全隱格式進(jìn)行離散。壓力和速度的耦合求解采用SIMPEC算法。本計算中，計算精度為1X 10',為足夠分辨內部流場(chǎng)的非定常信息，時(shí)間步長(cháng)設置為5.669X 10°s,即每-時(shí)間步長(cháng)葉輪轉過(guò)1°。當計算收斂后時(shí)間步向前推進(jìn)，同時(shí)葉輪網(wǎng)格轉到新的位置，開(kāi)始進(jìn)行新時(shí)間步上的計算。進(jìn)口邊界指定為速度進(jìn)口條件，其值通過(guò)流量和進(jìn)口過(guò)流面積確定，并給定湍動(dòng)能和湍流耗1-泵體; 2-葉輪; 3-軸端過(guò)濾網(wǎng); 4- 鎖緊件; 5-V型圈;散率值。出口邊界指定為自由出流條件,認為泵6-托架蓋; 7-泵體密封墊; 8管接頭密封墊; 9-定子套:內流動(dòng)在出口部分已達到充分發(fā)展狀態(tài)。旋轉葉10-止推軸承; 11-止推軸承橡膠墊; 12-定 子繞組;輪與靜止壓水室間動(dòng)靜交界面的信息傳遞，引入13-轉子: 14- 定子套調整墊; 15-水潤滑軸承;滑移網(wǎng)格技術(shù)”進(jìn)行處理。16-機殼; 17-中間絕緣紙; 18- 前端絕緣紙3數值預測結果與分析圖1微型循環(huán)水泵結構簡(jiǎn)圖2.2計算求解本文選取微型循環(huán)水泵的5個(gè)運行工況進(jìn)行運用Cambit進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，考慮到模型的了數值模擬，分別為Q/Q=0.6、 0.8、1.0、1.2復雜幾何形狀，采用適應性強的非結構化混合網(wǎng)和1.4. 各工況點(diǎn)的數值模擬值是對葉片-一個(gè)旋格。應用RNGk-ε模型計算時(shí)網(wǎng)格數約900000轉周期內均勻地取了5個(gè)時(shí)刻的值進(jìn)行的平均。(圖2),應用SST k-w模型計算時(shí)對近壁區進(jìn)試驗在2級精度試驗臺進(jìn)行，符合GB/T行了加密處理，網(wǎng)格數約1900 000。3216- 2005 <回轉動(dòng)力泵水力性能驗收試驗1級和2級》的要求。數值模擬與試驗得到的外特性對比曲線(xiàn)如圖3所示。揚程曲線(xiàn)824，SSTh-a(6.8心-RNG k(a)吸水室(b)環(huán)形壓水室.-實(shí)測值12在店20本4252流量Q(m'b)(a)揚程曲線(xiàn)對比軸功竄曲線(xiàn)(c)葉輪圖2應用 RNG k-ε模型時(shí)的計算網(wǎng)格中國煤化工RNCR應用商用軟件Fluent,采用RNG k-e和SST-實(shí)剃值k- w兩種湍流模型對微型循環(huán)水泵內部流場(chǎng)進(jìn)行YHCNMHG-。數值模擬。首先通過(guò)三維定常湍流計算得到定常流量Q(m'h)流場(chǎng)結果，并作為初場(chǎng)，進(jìn)行非定常計算。應用(b)軸功率曲線(xiàn)對比87《機電技術(shù)》2010年第2期機電研究及設計制造塑料葉輪，表面光滑且外徑小，所以未對圓盤(pán)摩效事曲線(xiàn)擦損失加以修正。采用SST k-w模型與試驗得到的功率曲線(xiàn)在趨勢上基本- -致, 而RNGk-e模型得到的功率曲線(xiàn)與實(shí)測曲線(xiàn)偏差較大。在效率的預測上，最高效率點(diǎn)位置相同，大約在設計流量十SST ka附近。一實(shí)測值在-1.820242市社4結論流量Q(m't)從微型循環(huán)水泵非定常數值模擬及其與試驗(c)效率曲線(xiàn)對比的對比可以得出以下結論:圖3性能曲線(xiàn)結果對比(1)利用滑移網(wǎng)格技術(shù)及相應的湍流模型可從圖3可以看出，在揚程的預測上，采用兩以很好地模擬微型循環(huán)水泵內的三維非定常流種方法與試驗得到的曲線(xiàn)類(lèi)似，小流量工況數值動(dòng)。(2)SST k-w湍流模型較RNG k-ε湍流能更計算值略低于試驗實(shí)測值，設計及大流量工況均好地預測微型循環(huán)水泵的性能。高于試驗實(shí)測值,各工況采用SST k-w模型計算的揚程均比采用RNG k-ε模型計算的揚程誤差小。在軸功率的預測上，由于微型循環(huán)水泵采用參考文獻:[1]王秀勇,王燦星.基于數值模擬的離心泵性能預測[J].流體機械，2007, 35(10):9-13.[2]何秀華.水泵壓力脈動(dòng)的類(lèi)型研究[J].排灌機械，1996,14 (4) : 47-50.[3]肖若富, 王福軍,姚志峰.多功能便攜式泵與泵站綜合測試系統開(kāi)發(fā)[A].2009全國大型泵站更新改造研討?hù)咝录夹g(shù)、新產(chǎn)品交流大會(huì )論文集[C].廈門(mén):中國水利學(xué)會(huì )泵及泵站專(zhuān)業(yè)委員會(huì )、全國泵站科技信息網(wǎng)，2009, 355- 357.[4] Yakhot V, Smith L ML The Renormalization Group, the E -Expansion and Derivation of Turbulent Models[J].Journal of Scientific Computing, 1992.[5] Menter F R. Mutiscale Model for turbulent flows[C]. 24th Fluid Dynamics Conference. American Instituteof Aeronautics and Astronauticas, 1993.[6] Farrant T, Tan M, Price W G. Cell boundary el ement me thod applied to laminar vortex shedding from circularcylinders [J]. Computers and Fluids, 2001, 30(2): 211-236.[7]徐朝暉,吳玉林,陳乃祥等.基于滑移網(wǎng)格與RNC湍流模型計算泵內的動(dòng)靜干擾[J].工程物理學(xué)報, 2005, 26(1):66-68.[8] GB/T 3216- 2005，回轉動(dòng)力泵水力性能驗收試驗1級和2級[S].作者簡(jiǎn)介:鄭煒(1977年-), 男，工程師，主要從事泵類(lèi)產(chǎn)品檢測。中國煤化工MYHCNMHG88