固液两相流离心泵内部流场的数值模拟研究

发布时间：2020-07-01 15:26

【摘要】： 本文利用三维建模软件Pro/E完成原型泵——OC150-30固液两相流离心泵过流部件的三维实体造型,导入至GAMBIT进行全流道的网格划分,再以高质量网格输出至FLUENT中进行数值计算和分析。FLUENT计算选用标准k ?ε湍流模型、SIMPLEC压力校正法、一阶迎风式等参数,在0.8Q、1.0Q和1.2Q三种典型工况下进行清水流场的数值计算。模拟结果显示:后进口的环形吸入室造成叶轮流道内流场紊乱,易产生轴向漩涡和回流,降低了泵的效率;随着流量的增大,叶轮流道内轴面漩涡逐渐减弱;蜗壳断面二次流呈螺旋状前行至扩散管出口。试验中该泵的测试情况也不理想:扬程曲线偏离最佳工况后下降太快,高效区宽度较窄;加长的悬臂轴导致泵振动大,噪音高。为此经分析研究,对原型泵按如下建议进行结构优化: (1)将原模型的后进口环形吸入室更改为前进口直锥形吸入室; (2)将原模型的四片扭曲叶片更改为三长三短的圆柱形叶片; (3)将原模型的梯形蜗壳断面更改为矩形断面; 根据前三项的更改对其它结构做相应的修改。 对原型泵结构更改优化后,在选用相同控制参数的前提下,再次进行建模、网格划分和清水流场的数值计算过程。对比优化前后的清水流场的数值模拟结果:优化后叶轮流道内的漩涡消失,整体上流场分布更加均匀,但射流-尾迹流现象加剧;在短叶片头部也出现有低压区;扭曲型叶片的抗汽蚀性能要优于圆柱形叶片的抗汽蚀性能。然后选用Mixture多相流模型进行固液两相流场模拟,结果显示:叶轮进口前端固相速度小于液相速度,进入叶轮流道加速后固相速度大于液相速度;固相在叶轮流道内有向叶片压力面集聚的趋势;叶轮轮毂侧固相浓度大于前盖板侧固相浓度,并在叶片尾缘与轮毂侧的交界处达到最大;蜗壳外壁的固相浓度要明显高于两侧壁,并在第Ⅰ断面和第Ⅷ断面出现峰值区域。优化后泵的扬程曲线随流量增大下降平缓,高效区明显拓宽,且振动噪声较小,证明本次结构改进达到了预期效果。数值计算过程还证明,当泵内流场非常紊乱时,计算的稳定性和收敛性都较差,且模拟结果与测试结果偏差较大。
【学位授予单位】：长沙理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TH311
【图文】：

的流体在轴的背面易产生漩涡，造成叶轮进口流速分布不均匀，流动损失较大。但该结构轴向尺寸较短，故在节段式式多级泵中使用较多。进水段造型采用简单的拉伸和交截命令即可完成，见图3.1。3.1.3 叶轮造型离心泵叶轮设计有圆柱形叶片和扭曲形叶片两种。圆柱形叶片外形简单，可用单圆弧或多段圆弧法成形，然后加厚形成叶片；扭曲形叶片根据叶轮进口的流动状况设计而成，水力损失小，但设计复杂，加工制造困难。原型泵叶轮采用了4片扭曲叶片，建模时按叶轮设计提供的水力模型图的点坐标取值，完成叶片实物建模，见图3.3。再利用装配功能中的布尔运算在旋转得到的无叶片叶轮选择体中减掉叶片部分，得到叶轮流道的流体区域，见图3.4。为了便于叶轮出口与蜗壳入口的内部面连接，将叶轮的流体区域向叶轮出口向外延伸1mm

本文原型泵采用蜗壳式设计。蜗壳具有结构简单、制造方便、效率高等特点，但在非设计工况下运行时易产生径向力。蜗壳采用八断法绘制，先作基圆，然后在八个断面绘制截面图，采用扫描混合命令完成蜗壳实体建模，见图3.2。其中，隔舌部分曲面复杂，必须采用高级曲面命令才能完成。3.1.5 三维实体组装各过流部件建模完成后，将其装配并生成“.STP”类型的文件，全部按实体类型输出，并于后续的GAMBIT网格处理。至此，离心泵的三维实体建模工作完成，见图3.5。因泵在实际安装运行时，进出口接入的管道系统均为圆管，并且离心泵出口流动并未达到充分流动的自由出流状态，与FLUENT的出口参数设置不相符

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本文编号：2736940