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轴流泵叶轮汽蚀两相流的数值模拟与分析

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  • 发布时间:2014-09-25
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轴流泵适用于大流量低扬程工况,具有结构简单、体积孝重量轻、占地面积小等优点,被广泛的用于各种排灌、供水工程 -3]。由于实际运行工况经常变化,轴流泵经常偏工况运行,常见叶轮出现大面积汽蚀破坏现象,严重时叶片轮缘区穿孔导致叶片大面积破坏,泵扬程降低、效率下降,收稿日期 : 2012-08-24基金项目: 国家 自然科学基金(51109093;51079063);江苏省自然科学基金(BK2011503)2013年第41卷第4期 流 体 机 械 l7同时诱发水泵振动和噪声,严重时过流部件可能被破坏 J。随着 CFD的发展和计算机性能的提高,用数值模拟方法研究水力机械内部汽蚀流动成为可能 J。王正伟等采用无空化流场的方法分析了轴流式水轮机的空化特性以及转轮间隙空化 J。曹树良对混流式水轮机转轮内的空化现象进行了分析和预测L7 J。甘加业等应用三维 N-S方程和 k-两方程湍流模型以及全汽蚀模型计算了喷水推进混流泵的汽蚀性能指标和叶片汽蚀发生区域和汽蚀流动的发展情况 J。周继 良通过对不同叶型的轴流泵进行模拟 J,得出了几种不同的叶型成型规律对泵汽蚀性能的影响。杨正军用 CFD技术对轴流泵能量特性、汽蚀性能进行了预钡41。。。上述研究表明,泵汽蚀流的数值模拟及工程应用已是必然的发展趋势。

本文针对排污排水系统中轴流泵汽蚀破坏这- 普遍问题,采用基于均相流输运方程的汽蚀模型,在假定气液两相热力学平衡的基础上引进 RP方程,通过基于 RP方程的界面间质量传递率方程与多相流质量分数输运方程来模拟叶轮内气泡的产生和溃灭,数值计算结果将对解决轴流泵叶轮汽蚀破坏问题具有-定的参考价值。

2 物理模型与数值计算方法2.1 物 理模 型本文研究的轴流泵为南京蓝深集团生产的NS1250型轴流泵,其基本参数为:叶轮直径 02300mm,叶片数z4片,导叶叶片数 Z7片。主要性能指标为:流量Q880m /h,扬程H3.2m,转速n1470r/min。模型泵叶轮和导叶如图1所示。

(a)叶轮 (b)导叶图 1 叶轮和导叶三维计算域包括叶轮、导叶,考虑到轴流泵内流道几何形状复杂,将其划分为四面体非结构化网格。

为了提高计算精度,划分网格时,将叶轮和导叶部分的网格进行了局部加密,整个计算域网格单元数量为 1840984。

2.2 基本方程对于均相流的 RANS连续性方程、动量方程: ·(p c )0 (1)(p C )P (C ·N)C-N(p )Ⅳ(丁r ) 厂0 (2)式中 m--下标,混合物在汽蚀过程中,-般认为存在 3种组分:不可压缩液体、可压缩气泡及不可压缩微小气核。分别用. 。

0 仅 1 (3)在大多数情况下,不可压缩微小气核和液体充分混合,可以把两者当作-种不可压缩流体处理,引入 d ,下标 f代表不可压流体,仪 仪 仅 。与其对应的质量输运方程表示为:(alpf)N(alplC )Ffm m(4)式中 m ,m --在气泡产生和溃灭过程中不可压流体的质量传递率2.3 汽蚀模型采用 Rayleigh-Plesset方程来计算汽相与液相之间的传质过程。应用该方程描述的空泡生成方程为:3/d R./ (5)式中 R --气泡直径p --环境温度下的饱和蒸汽压p--周围液体压力- - 气液间的表面张力忽略粘性和表面张力对气泡生长的影响,方程化简为:: f (6)d t I3 p, /空泡体积的变化速率方程: (扣 ) ( )(7)若单位体积有 个空泡,气泡体积分数表示为:18 FLUID MACHINERY Vo1.41,No.4,2013 NB -z 4~R3NB (8)单位体积内相界面的传质表示为: ( )将气泡膨胀与压缩同时考虑在内,上式变为:( g(10)((11)式中 F 。、F --气泡膨胀和压缩时所取的不同的经验系数将汽蚀初始处的体积分数定义为 r ,得 :叩 ×( )1/2 g (P -P)(12)、3 pf其中,R8ltajn,rnuc51o4, 伽50, 0.01。

2.4 湍流模型和边界条件采用有限体积法将上述控制方程组离散为代数方程组,对流项采用-阶迎风格式,扩散项采用二阶中心差分格式,采用 SIMPLEC算法实现速度和压力之间的耦合。泵进口采用速度进15,出口条件为压力出VI,在固壁上取粘性流体无滑移条件,近壁区选用壁面函数法进行处理,湍流模型采用RNG k-8模型 。为提高汽蚀计算收敛速度和计算稳定性,用单相定常流动计算的收敛结果作为初始流厨行汽蚀流动计算。计算中取水温为 25C,水中不溶解性气体的质量组分 15mg/kg,水的密度P1000kg/m ,空泡表面张力or0.07N/m,水蒸气密度P 0.02558kg/m 。

3 数值计算与试验3.1 外特性预测值与试验结果对比为了验证网格和湍流模型的适用性,首先选择了l0个工况点进行单相介质的数值计算,并与该轴流泵外特性试验结果比较分析误差,数值计算和实验的效率和扬程与流量关系曲线对比如图2所示。在大流量区域,计算的扬程高于试验的扬程,在小流量区域,计算的扬程低于试验的扬程。在选取的10个工况点中,最优工况点计算扬程相对试验扬程的误差均在 5%以内。在整个流量范围内,其效率的变化趋势-致,说明所采用的网格规模及数值模拟方法正确可行。

图 2 外特性模拟和试验性能曲线对比3.2 轴流泵汽蚀性能曲线预测根据 GB/T 3216-2005中的相关标准,选取轴流泵叶轮叶片进 口边外端的圆中心的水平面为基准面。在设计流量 Q:880m /h下,基于数值模拟方法预测水轴流泵汽蚀余量。具体方法为,在流量不变情况下,假设通过逐步降低泵进口压力,每改变-次进口压力值,则数值模拟-次,并计算此时的泵扬程。以此方法逐渐减小轴流泵装置汽蚀余量,使泵内部发生汽蚀,并通过扬程下降值,获得不同汽蚀装置余量下泵扬程的变化规律。

泵汽蚀余量NPSH的计算式: S H1- ,J(P。 6-P )/(pg)(13)式中 --人口总水头,m。--ⅣPs日基准面与基准面之差,mPamb--当地大气压,Pa- - 水在25℃时的饱和蒸汽压力,Pa根据式(13)绘制汽蚀性能曲线图,如图3所示,以扬程下降3%时,对应的NPSH作为I临界汽蚀余量。

5暑316 lU l4NPSH(m)图3 汽蚀性能曲线从图中可知,由于轴流式叶轮的几何特性,轴流泵汽蚀过程对外特性的影响相对离心泵要校轴流泵叶轮内的汽蚀从初生状态到完全发展之问

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