旋噴泵集流管入口段優化及數值模擬

曾 譽，胡軍科，劉陳江

（1.中南大學 機電工程學院，長沙 410083;2.中南大學 高性能復雜制造國家重點實驗室，長沙 410083）

0 引言

旋噴泵主要是由前流道、葉輪、轉子腔、集流管等組成,具有結構簡單緊湊、小流量、高揚程、流量揚程曲線平滑等特點[1～3]。集流管作為旋噴泵的核心部件[4,5],結構大致可分為五個部分：入口段、入口轉角、擴散段、出口轉角、出口直管段。

目前國內研究者對集流管有著大量的優化研究。從入口轉角、擴散段、出口轉角段,宋懷德[6]運用CFD工程軟件主要研究了集流管喉部截面,即入口轉角結構變化導致的影響；蘇麗娟[7]分別針對集流管的擴散段和出口轉角處設計了不同結構的對照仿真試驗,結果表明橢圓擴散段截面集流管以及適當加大出口轉彎半徑能有效降低局部滯留引起的水力損失,提高效率。而對于入口段,國內研究者主要集中于入口形狀的研究,如楊凱越[8]提出了不同的集流管入口形狀以及入口和葉輪出口面積比值,得出在圓形入口形狀以及面積比值為0.14的情況下,旋噴泵能更有效的搜集高速旋轉液體,提高泵的揚程和性能。

綜上,大多數國內研究者們對于旋噴泵集流管各個部位的優化設計中,對于入口段半徑和偏轉角度研究較少。本文以RO-D484型旋噴泵為研究對象,設計了旋噴泵物理模型并基于Fluent進行了標準工況下的數值模擬,重點研究了集流管不同入口段半徑、偏轉角以及兩種結構相疊加對旋噴泵性能的影響,為旋噴泵的優化設計提供一定的參考價值。

1 研究對象

RO-D484型旋噴泵的主要設計參數是流量Q=6.3m3/h,轉速為n=3000rpm,集流管結構圖如圖1所示。

圖1 旋噴泵集流管結構

原始模型集流管入口段結構如圖2所示。集流管其他設計參數不變,通過單獨增大集流管入口段半徑,或者偏轉角度達到優化集流管結構的目的。采用這兩種優化結構都是為了使流體能夠更平滑高效的通過集流管的入口段和入口轉角,進而減少集流管內部的水力損失,以提高泵的揚程和效率,新結構的集流管與其他部件組裝,使用Fluent軟件進行數值計算。

圖2 集流管入口段結構示意圖

2 數值仿真設置

2.1 控制方程

對于定常、不可壓縮流動且處于湍流狀態下的流場,通常采用三維雷諾平均NS方程,采用k-ε湍流模型是方程閉合[9]。控制旋噴泵內部流場運動的是以下三個方程[10]。

連續性方程：

動量方程：

湍動能方程：

2.2 網格劃分及邊界條件設定

使用專業網格劃分工具ANSYSICEM分別對旋噴泵原始四個核心部件進行網格劃分,采用非結構體網格,對于尖銳、急轉彎部位進行局部網格加密,組合后網格劃分節點總數為207051,網格總數為1197480,網格平均質量約為0.85。優化后的模型網格劃分操作相一致。

為應對運動模型求解問題,Fluent提供了運動參考系進行穩態問題的求解。計算中使用到的邊界條件如下：

1）入口邊界條件：采用速度進口,在前流道進口處設置入口邊界,假定液體流速均勻：

其中,Q為泵的流量,S為前流道進口的面積。

2）出口邊界條件：采用outflow自由流出。

3）網格區域設置及壁面邊界條件：通常對于設計多個運動部件或包含有非旋轉體的靜止面邊界時,常采用多參考系模型[11]（MRF）進行求解,將葉輪流道及其壁面、轉子腔流道及其壁面設置轉速3000rpm,其余設為絕對靜止,并在不同流道交界面設置interface面。

4）本文采用壓力基分離求解器,選擇收斂性較好的SIMPLEC算法。

3 計算結果及分析

為了更好的研究集流管入口段對內部流體流動特性得影響,以下均取截面A、B進行分析,如圖3所示,A面與XY平面平行且過集流管入口中心,B面與YZ平面平行且過集流管出口中心。

圖3 截面A、B示意圖

3.1 增大集流管入口段半徑

3.1.1 速度分布

圖4為集流管入口段半徑增大前后速度矢量圖。可以看出,從轉子腔進入集流管的流體經過入口轉角后大都貼著外側壁流動。對比發現,增大入口半徑后的集流管入口速度明顯更大,并且在擴散段流體速度分布更為均勻,而原模型流體在擴散段底端明顯更為紊亂。這是因為增大入口段半徑后,集流管能夠搜集轉子腔中流速更大的流體,并且優化后的模型入口段到入口轉角、擴散段的過渡更為平滑,流體更順利的通過入口轉角,減少流體由于碰撞導致的水力損失。

圖4 集流管入口段半徑增大前后速度矢量圖

3.1.2 壓力分布

圖5為集流管入口段半徑增大前后壓力云圖。可以看出,兩種情況下壓力的極小值都出現在入口處,流體在此都有明顯的壓力波動,內部高壓區主要在兩個轉角處。對比發現,優化后的集流管在入口轉角處的高壓區位于更下段,表明適當增大入口半徑能使流體更 好的通過入口轉角,擴散段由于優化模型流體流速更為平穩,故壓力分布更為均勻,水力損失小,出口壓力更大。

圖5 集流管入口段半徑增大前后壓力云圖

3.1.3 泵的性能比較

定義旋噴泵的理論揚程：

定義旋噴泵的效率：

式中：pin為泵的進口壓力,pout為泵的出口壓力,N為軸功率,Ne為有效功率,式(7)中M為泵的轉矩,n為轉速,式(8)中G為質量流速,G=svp,s為入口截面積,v為入口速度。

仿真得到的數據經計算如表1所示。可以看出,集流管優化后的旋噴泵揚程和效率都有一定的提升,增大集流管入口段半徑有積極的影響。

表1 集流管增大入口半徑前后數值模擬結果

3.2 增大集流管入口段偏轉角

3.2.1 速度分布

集流管增大入口偏轉角后流體速度矢量圖如圖6所示。和圖4(a)對比發現,兩種結構的流體速度矢量圖總體分布區別不大,流體在經過入口轉角后,多數流體沿轉彎外側面流動,但在集流管同一位置處,增大入口偏轉角后的內部流體流速更大。

圖6 增大入口偏轉角速度矢量圖

3.2.2 壓力分布

圖7為集流管增大入口偏轉角后壓力云圖。與圖5(a)原模型壓力云圖相比可以看出,原模型入口段壓力波動集中在集流管的入口,變化劇烈,而優化后的集流管,入口段長度的增加,增加了流體經過入口段的時間,使得入口段壓力變化更為平緩,為高速流體經過入口轉角前提供了一定的緩沖作用,相較于原模型,結構優化后,流體的壓力更大,也表明增大入口偏轉角確實有利于降低集流管內部的水力損失。

圖7 增大入口偏轉角壓力云圖

3.2.3 泵的性能比較

仿真得到的數據經式(5)、式(6)的處理后得到表2,可以看出,集流管優化后的旋噴泵揚程和效率都很大的提升,增大集流管入口段偏轉角對于泵的性能有很大的改善。

表2 集流管增大入口半徑前后數值模擬結果

3.3 疊加優化模型

通過以上集流管入口段優化研究,表明分別增大入口段半徑和偏轉角都有積極影響,現針對同時進行這兩種優化結構的集流管進行數值模擬計算,研究疊加優化結構的可行性。

3.3.1 速度分布

集流管疊加優化模型的速度矢量圖如圖8所示。可以對比看出,疊加優化后的模型總體速度矢量分布規律同其他模型基本一致,但入口處有更為明顯的高速流體,且同一位置的流速比前面任意模型都要大,該模型綜合了前面兩種優化模型能搜集更高速的流體以及使流體更平緩、平滑通過入口段、入口轉角的特點。

圖8 疊加優化速度矢量圖

3.3.2 壓力分布

圖9為集流管疊加優化模型壓力云圖。可以看出,入口段壓力波動和圖7相類似,總體的壓力變化較為均勻,擴散段下端由于流體流速出現紊亂而導致壓力輕微波動,而與前面模型相比,各部位壓力數值都明顯更大。

圖9 疊加優化壓力云圖

3.3.3 泵的性能比較

仿真得到的數據經式(5)、式(6)的處理后得到表3。疊加優化后的模型揚程和效率有著極大的提升,遠高于前面任意模型。

表3

4 結語

1）標準工況下,適當增大集流管入口段半徑,集流管能更高效的搜集高速流體,同時減少流體在入口轉角處碰撞引起的水力損失,使得旋噴泵集流管內部速度、壓力分布更為均勻,對泵的揚程和效率有一定的提升。

2）適當增加入口段偏轉角度,集流管入口段壓力波動更為平穩,降低了流體在入口段、入口轉角處的水力損失,泵的揚程和效率都得到明顯提高。

3）相同工況下,集流管疊加優化結構是可行的且模型的揚程和效率有著極大的改善。

4）三種優化模型都有利于改善旋噴泵集流管內部的水力損失,提高泵的性能。