離心泵蝸殼內壓力脈動特性數值分析

劉厚林,杜 輝,董 亮,吳賢芳,劉東喜

(江蘇大學流體機械工程技術研究中心,江蘇鎮江 212013)

離心泵蝸殼內壓力脈動特性數值分析

劉厚林,杜 輝,董 亮,吳賢芳,劉東喜

(江蘇大學流體機械工程技術研究中心,江蘇鎮江 212013)

為揭示離心泵蝸殼流道內的壓力脈動變化規律,采用雷諾時均方法(RANS),對3種工況下的離心泵內部三維非定常湍流流場進行數值計算,分析同一蝸殼斷面不同位置以及沿蝸殼周向不同點的壓力脈動特性。結果表明:蝸殼流道內具有非常明顯的壓力脈動,在各種工況下壓力脈動的主頻均是葉片通過頻率;同一蝸殼斷面上的壓力脈動從蝸殼底部到蝸殼背面先減小后增大,蝸殼底部監測點的高頻脈動成分較多;沿蝸殼周向,隨著圓周角的增大,壓力脈動減弱,隔舌附近壓力脈動幅度最大,且高頻脈動成分明顯增加。

離心泵;蝸殼隔舌;壓力脈動;雷諾時均法;數值分析

離心泵的空間非對稱結構使其內部流動呈現出復雜的非定常特性,這種特性使泵在產生靜態壓力分量的同時還會產生動態壓力分量,也就是壓力脈動[1]。

壓力脈動在泵內是有害的,會引起泵系統及其設備的振動和噪聲,嚴重時會損壞設備[2]。因而對蝸殼內部壓力脈動特性進行研究有助于掌握泵內壓力脈動發生和發展的特點,為泵的設計提供參考,從而提高泵和系統運行的穩定性。

獲取壓力脈動數據的最直接方法是進行試驗測試,但是實際操作中受限于泵的體積等因素,實施起來具有很大的技術難度,且周期長,成本高[3]。計算流體動力學(CFD)技術的發展為壓力脈動的研究提供了另外一種方法,其快速靈活的特點使其在壓力脈動等泵的內部流動研究中得到越來越廣泛的應用[4-7]。但以往的研究大多只針對葉片區域或者蝸殼背面附近點的壓力脈動情況進行分析[8-12],對同一蝸殼斷面上不同點的壓力脈動情況以及壓力脈動沿蝸殼周向的變化情況的研究則較少,進行這方面的研究能更充分地認識壓力脈動在蝸殼內的分布,從而為減輕壓力脈動提供指導。

本文選取商用CFD軟件Ansys CFX,采用雷諾時均方法(RANS)計算了一臺離心泵在3種工況下的三維非定常湍流流場,并對計算得到的壓力脈動情況進行了分析。

1 數值計算模型

本文所用離心泵的參數如下:設計流量Qd= 0.0139m3/s,轉速n=2900 r/min,比轉數ns=99,葉輪外徑D2=168 mm,葉輪出口寬度b2=10 mm,葉片出口安放角β2=31°,蝸殼基圓直徑D3=180 mm,蝸殼進口寬度b3=20 mm,葉片數z=5。

2 數值計算方法

計算區域由進口延長段、葉輪、蝸殼、出口延長段4部分組成,如圖1所示,采用網格劃分軟件ICEM劃分得到網格總數為3550256個。

圖1 計算區域及網格示意圖

在進口延長段入口處設置速度進口,出口延長段設置自由出流出口,對于泵內轉子部件和定子部件之間的交界面采用滑移網格進行處理,固壁采用無滑移壁面邊界條件。

采用有限體積法對瞬態控制方程進行離散,利用CFX12.0全隱式耦合多網格線性求解器對所有變量整場聯立求解,同時求解動量方程組和連續方程。在穩態求解階段選取在離心泵數值計算中具有良好表現的標準k-ε湍流模型[12]進行計算,之后以此計算結果為非定常計算的初始場進行非定常求解。

在非定常計算時,將旋轉水體與非旋轉水體之間的交界面設置為瞬態動靜轉子(transient rotorstator)模式[13],這對于兩部分水體間的動靜干涉作用是至關重要的。

為了提高計算結果對內部流場的分辨率,選取葉輪每旋轉1°為1個時間步長,所對應的時間為5.75×10-5s。這樣每經過360個時間步為1個葉輪周期,共計算10個葉輪周期,取最后1個周期的數據進行處理,此時脈動已經穩定。

本研究所計算的3個工況點流量和設計流量之比Q/Qd分別為0.8、1.0和1.2。壓力脈動監測點的設置如圖2所示,其中P6、P6B和P6M是同一蝸殼斷面上的點,分別位于蝸殼背面、蝸殼底部和蝸殼中間位置處。

圖2 蝸殼區域壓力脈動監測點設置示意圖

3 計算結果與分析

3.1 外特性分析

根據計算得到的進出口總壓力差以及軸功率可以得到泵在不同工況下的揚程和效率,如表1所示。從表1可見,揚程和效率計算值的總體趨勢與試驗值相同,揚程相對誤差的最大值為5.05％,效率絕對誤差的最大值為3.43％。可見本文所選取的計算方法較為準確地預測了該泵的外特性,從而為進一步的預測分析打下了基礎。

表1 水泵外特性計算值和試驗值的對比

3.2 壓力脈動分析

3.2.1 不同工況下同一蝸殼斷面上監測點壓力脈動特性

為方便下面的闡述,這里定義壓力脈動系數CP= (P-Pavg)/Pavg,其中P為靜壓,Pavg為靜壓平均值,該壓力脈動系數是指壓力脈動振幅占靜壓平均值的比例。同時對時間進行歸一化處理,定義時間系數:Ct=(t-tb)/(te-tb),其中,tb為所選用葉輪周期開始時刻的時間,te為該葉輪周期結束時刻的時間。這樣,該周期內壓力脈動情況所對應的時間便可以用一個變化范圍為0～1的無量綱系數來表示,以便于理解。

圖3為不同工況下位于同一蝸殼斷面上的3個點P6、P6B和P6M處的壓力脈動時域特性。由圖3可見,在各工況下,3個點的壓力脈動均具有非常明顯的周期性,呈現出非常規律的5個波峰和5個波谷,這正好與葉輪葉片數相同。但是3個點的壓力脈動幅度不同。

由圖3(a)可見,Q/Qd=0.8工況下,P6B處的脈動幅度最大,約為靜壓均值的2.5％;P6處的脈動幅度次之,約為靜壓均值的2％;P6M處的脈動幅度最小,為靜壓均值的0.8％。分析圖3(b)和圖3(c)可以得到與圖3(a)相同的結論,即位于蝸殼底部的P6B脈動幅度最大;位于蝸殼背面的P6次之,但與P6B處脈動幅度差別不大;位于該蝸殼斷面中間位置的P6M壓力脈動幅度最小。這說明在同一蝸殼斷面上,壓力脈動幅度從蝸殼底部到蝸殼背面先減小后增大。理論上,這是因為在蝸殼底部和蝸殼背面,葉片和動靜干涉作用的影響分別居于主導地位,而在蝸殼流道中間位置二者作用相對較弱的緣故。

通過快速傅里葉變換(FFT)得到上述各監測點在不同工況下的壓力脈動頻域特性,如圖4所示。可以看出,在各工況下,同一蝸殼斷面3個監測點的壓力脈動頻率均以葉片通過頻率(242Hz)為主。其中,P6和P6M處的頻率主要是葉片通過頻率,高頻成分很少。相比之下,P6B處的高頻成分明顯增多,可見,在葉輪的影響下,蝸殼底部監測點體現出了更為復雜的頻率特性。

3.2.2 設計工況下蝸殼周向不同監測點的壓力脈動特性

圖5為設計工況下沿蝸殼背面周向各監測點的壓力脈動時域特性。由圖5可見,沿蝸殼周向各點的壓力脈動均呈現出明顯的周期性,具有5個波峰和5個波谷。但各監測點壓力脈動的幅度不同,其中以正對隔舌處的P2點脈動幅度最大,約為靜壓均值的11.5％;P1和P3分別位于P2兩側,脈動幅度也較大,分別為靜壓均值的10.3％和8.7％。P4、P5、P7和P8處的壓力脈動幅度分別為靜壓均值的5％、2.57％、0.9％和0.4％,均明顯小于隔舌附近監測點的脈動幅度。可見沿蝸殼周向,隔舌附近監測點壓力脈動幅度最大,這主要是因為葉輪與蝸殼的動靜干涉作用在此處最為強烈;隨著圓周角的增大,葉輪與蝸殼背面之間距離增大,葉輪與蝸殼的動靜干涉作用減弱,脈動幅度逐漸減小。

圖6是設計工況下沿蝸殼周向各點的壓力脈動頻域特性。由圖6可知,蝸殼周向各點的壓力脈動主頻均在葉片通過頻率處。隔舌附近3個點的脈動幅值均較大,且高頻脈動成分較多;隨著圓周角的增大,各監測點到隔舌的距離增加,壓力脈動幅值減小,葉片通過頻率逐漸居于統治地位,高頻脈動明顯減少。可見,隔舌對離心泵壓力脈動頻域特性的影響顯著。

圖3 不同工況下同一蝸殼斷面上監測點壓力脈動時域

圖4 不同工況下同一斷面上監測點壓力脈動頻域

4 結 論

a.蝸殼流道內各監測點的壓力脈動具有非常明顯的周期性,且在各種工況下的主頻均為葉片通過頻率。

圖5 設計工況下蝸殼周向不同監測點壓力脈動時域

圖6 設計工況下蝸殼周向不同監測點壓力脈動頻域

b.處于同一蝸殼斷面不同位置的監測點的壓力脈動幅度不同,從蝸殼底部向蝸殼背面先減小后增大,且位于蝸殼底部監測點的高頻脈動成分較多。

c.沿蝸殼周向,隔舌附近監測點壓力脈動幅度最大,頻域特性也最為復雜,高頻脈動成分十分明顯;隨著圓周角的增加,各監測點沿周向與隔舌距離變大,脈動幅值逐漸減小,葉片通過頻率居于主導地位,高頻脈動成分很少。

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Numerical analysis of pressure fluctuation in the volute of centrifugal pump

//LIU Houlin,DU Hui,DONG Liang, WU Xianfang,LIU Dongxi(Research Center of Fluid Machinery Engineering and Technology,Jiangsu University,Zhenjiang212013,China)

In order to reveal the variation laws of the pressure fluctuation in the volute of a centrifugal pump,the threedimensional unsteady flow fields in the centrifugal pump under three different conditions are numerically solved by means of the Reynolds-averaged Navier-Stokes method.The pressure fluctuations at different points of the same section of the volute and different points along the circumferential direction of the volute are analyzed.The results show that the pressure fluctuations in the volute are obvious.The dominant frequencies under three conditions are found to be the ones that the blades pass.The pressure fluctuations at the same section decrease first and then increase from the bottom to the rear of the volute,and high-frequency fluctuations at the monitoring points on the bottom of the volute are evident.Along the circumferential direction,with the increase of circular angles,the pressure fluctuations decrease.The amplitude of pressure fluctuations is the largest near the tongue where high-frequency fluctuations dramatically increase.

centrifugal pump;tongue;pressure fluctuation;Reynolds-averaged Navier-Stokes method;numerical analysis

10.3880/j.issn.10067647.2013.01.004

TV136+.2

A

10067647(2013)01001804

2012-04-25 編輯:周紅梅)

國家自然科學基金(51179075,51079062);江蘇省自然科學基金(BK2009006,BK2010346);江蘇省成果轉化資金專項(BA2010155)

劉厚林(1971—),男,江蘇溧水人,研究員,博士,主要從事泵現代設計理論與方法研究。E-mail:liuhoulin@ujs.edu.cn