蜗壳形状对高速部分流泵(切线泵)性能的影响.pdf

?30
小投A
2009年第1期
蜗壳形状对高速部分流泵(切线泵)性能的影响
刘在伦曾宪湘
(兰州理工大学流体动力与控制学院;730050)
摘要:分析了基于 Navier- -Stokes方程和 Spalart- Almaras湍流模型流动分析高速部分流泵(切线泵)的可行性。根
据提出的方法,对同一叶轮与不同蜗壳匹配的两个高速部分流泵模型利用 Fluent6.3.21软件进行数值模拟,对计算结
果进行对比分析,提出了开式叶轮与矩形截面螺旋型蜗壳搭配有利于提高高速部分流泵的关死点扬程,使其H-Q性能
曲线有更好的平坦度以及略能提高部分流泵效率。并对提出的结论做了相关的内部流场分析。
关键词:高速部分流泵(切线泵)蜗壳形状数值模拟性能预测内部流场
设计参数如表1。叶轮采用开式径向叶轮。
前言
图1、2分别表示出了环形蜗壳与矩形截面螺
旋蜗壳的主要设计参数。其中,扩散管长度按照经
部分流泵( partial emission pump;又称切线泵
tangent pump)现已广泛用于航空航天、石油化工
验公式ム=(4OD进行取值,D=638/Q)/“)
H
化肥、制药等行业。特别是近年来,由于该型泵的为喉部直径,式中φ为流量系数,ψ为扬程系数。
可靠性高等独特优势在消防领域也已被专家和用户
所接受,并作为建筑消防专用水泵,在我国建筑消
防领域发挥重要作用。该类型泵采用开式径向叶
轮,理想的扬程曲线呈一水平直线,但在实际应用
中H-Q曲线常常呈一逐渐上升的曲线,但其关死
点扬程过低影响其性能的发挥与使用范围。
15°
由于早期部分流泵的使用范围比较固定,很少
尝试采用螺旋蜗壳,本文针对上述何题,以同一叶
轮不同蜗壳的两种模型为例,采用目前流行的Fu
ent软件分别对两种模型进行整机定常流数值模拟,
图1矩形截面螺旋蜗壳设计几何参数示意图
对其进行比较分析研究,为探索髙速部分流泵更佳
性能及其结构优化提供有用依据。
1泵设计参数及计算模型网格
48
1.】高速部分流泵的设计参数
表1泵设计参数与叶轮主要几何参数
工作流量「扬程比转速转速叶轮外径
Q L)H
n、r/mn
)「D2(rm
230
56.78
4594
235
图2环形蜗壳设计几何参数示意图
2009年第1期
小系A
2整机模型及网格划分
壳内壁
为了使数值模拟更加符合实际流动,本文采用
叶轮出口
整机三维数值模拟。网格生成通过 FLUENT6.3.21
盖侧间隙
叶轮
的前处理软件 Gambit完成。计算域中采用Trid
叶轮进
(混合网格),它主要由四面体组成,个别位置可以
有六面体、锥体或楔形体。对于比较复杂的模型,
使用混合网格一般比较容易划分成功,节省计算资
源并能得到比较满意的结果。两种不同蜗壳网格模
图4蜗壳壁面与叶轮结构示意图
型如图3。
换算成绝对速度的形式进行流场信息交换。
2.1基本方程
2数值计算方法分析
对于定常不可压缩流体,取与叶轮一起以恒定
由于无论是标准k-模型,RNCk-8模型,转动的坐标系,考虑粘性假设,连续方程和动量方
还是 Realizable k-s模型,都是针对充分发展的湍程可以参考文献[4
流才有效的,也就是说,这些模型均是高Re数的
Spalart-- Almaras湍流模型控制方程
湍流模型。如图4所示,部分流泵叶轮与前盖
板、后盘盖侧存在一定间隙,按照 Baske的描述,
G
在高速部分流泵的壁面区,流动情况变化很大,叶
轮流道的流动几乎可以看成是一种随叶轮做刚体运
Y
动,湍流应力几乎不起作用。由于原始的S-A
方程实际是一种低Re数模型,并且在 Fluent软件式中湍流运动粘性系数
中引入了壁面函数法,因此,采用S-A模型较粗
以一分子运动粘性系数
糙的壁面网格时也可以取得很好的结果。此模型在
G.—生成项
透平机被应用很普遍阿,文献[4]也曾在开式叶
Y,一破坏项
轮泵的研究中取得了理想的计算结果。
G,=Cbl psv
Fluent软件用于活动变形区域中流动计算的模
型包括MRF、 Mixing Plane、 Sliding Meshes。本文
选用MRF模型进行数值计算,在适用MRF模型进
行计算时,整个计算域被分成多个小的子域。每个式中S=S汁,27fa
子域可以有自己的运动方式。流场控制方程在每个
子域内进行求解,在子域的交接面上则通过将速度
的达叶轮流道法解
排水管
S=/20
进
进
水
水
管
管
蜗壳
SK
图3两种不同蜗壳模型计算网格图
近壁处的修正公式
32
小投R
2009年第1期
S=9+ C, min(O,S1-41)(4)死点扬程有所提高,H-Q曲线明显的平坦。
式中Cnw=2
3.2效率
l=v22
使用 Fluent软件获得的结果,在力矩方面可
IS, I=V2S,SA
以得到叶片正面、叶片背面和和盘盖侧表面等受到
的绕叶轮旋转轴的力矩之和。再由N=Mo计算轴
功率。在不计增速器、轴承和轴封等摩擦机械损失
的情况下部分流泵效率可按下式计算:
m=NJN
式中
式中N。一泵有效输出功率
N输入功率(轴功率)
有效输出功率N是指单位时间内从泵内输送
出去的流体所获得的有效能量。即:
2.2边界条件的处理
M。=s
(KW
8
叶轮为转动边界,在临近固壁上网格区域采用
在设计工况点计算出矩形截面螺旋蜗壳与环形
了壁面函数,叶片表面、前后盖板等固壁均为无滑蜗壳泵的轴功率分别为:M1=161.08kW,N2=
移、绝热壁面边界条件。
163.01kW;扬程分别为H1=230.0m,H2=231.7m
3性能预測
代入(7)式可得到泵效率分别为=56,05,m=
3.1扬程
在 Fluent 3软件中,流场内的总压P是指动压与
静压之和,使用面积积分功能可以得到进口总压和出
口总压,根据总压可以求得水头,求两点水头差可计
60
算出扬程。因此,部分流泵的扬程可由下式计算:
P
+y
g
v.进出口在垂直方向的距离
图5表示出了通过S-A模型计算出的扬程曲
线,从图形来看,矩形截面螺旋蜗壳部分流泵在小
图6环形蜗壳与叶轮中心截面总压分布
流量运行时扬程明显大于环形蜗壳泵的扬程,其关
3.4e
360
180ナ“ーく-矩形截面螺旋壳
环形壳
150
-。。。
05101520,253035404550
(
图5扬程曲线对比图
图7矩形截面螺旋蜗壳与叶轮中心截面总压分布