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基于CFD的轴流泵三维湍流数值模拟

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中图分类号: TH312 文献标识码 : A doi:10.3969/j.issn.1005-0329.2012.11.008Three-dimensional Viscous Numerical Simulation of Axial·-flow Pump Based on CFDFENG Jun,ZHENG Yuan(HoHai University,Nanjing 21 1 100,China)Abstract: For further researching on numerical simulation authenticity and accuracy of axial-pump,both with its flow fieldcharacteristics,combined with a model pump data in South-North water transfer east projeet,the model pump were numericalysimulated by using CFD software Fluent.Under the multi-reference frame,both and RNG turbulence model with SIMPLEC algo-rithm were chosen,the Reynolds averaged N-S equation was dispersed by the finite volume method.The comparisons of externalcharacteristics in simulation results and experiment results show that the turbulence model and 0 pressure inlet condition are suitfor continuous simulation.By observing intemal flow characteristics and researching on computation results,the relationship be-tween pressure distribution and flow rate were described,the influence on internal flow by guide blade were also analyzed.It canbe concluded that model is better than RNG model,the average eficiency error of model is less than 3.72% .When the inletpressure is 0,the numerical simulation with model is proved to be the best.This method showed its advantages in axial-pumpsnumerical simulation,it can help analyze axial-pumpperformance and can be a reference way for design。

Key words: axial-pump;numerical simulation;internal flow;performance prediction;experiment1 前言轴流泵是有着低扬程、大流量特点的高转速比泵型,适用于农田灌溉、防洪排涝和跨流域调水等领域,具有很大的应用价值和发展潜力。但是如何既精确又直观地研究轴流泵装置的水力性能及其优化水力设计,仍是亟待解决的问题。目前,研究轴流泵水力性能问题大多采用模型试验的方法,该方法试验周期长、经费高,且仅限于外特性,难以了解水泵的内特性,故不能广泛应用。

近年来,随着 CFD理论的逐渐完善和发展,轴流泵装置的数值模拟开始被广泛采用 J。在湍流流动数值模拟中,如何选取边界条件和湍流模型才能使结果更准确确和真实-直是个难点。

收稿日期: 2011-12-16 修稿臼期: 2012-10-15基金项目: 国家海洋局海洋可再生能源专项资金资助项目(GHME201 1 CX02)FLUID MACHINERY Vo1.40,No.11,2012本文结合南水北调某泵站模型试验,建立数值模拟模型并利用FLUENT软件对多种方案进行数值模拟计算,对泵内流厨行分析,选出与试验数据最接近的方案,作为轴流泵数值模拟的-种参考方案,为轴流泵的研究和应用提供参考。

2 轴流泵三维流动数值模拟2.1 轴流泵模型有关参数根据南水北调工程中某泵站设计参数的要求,选用了TJ04 ZL-06水泵水力模型进行三维流动数值模拟研究。该泵站由江苏里下河向总渠灌区引水,原型叶轮直径2.2m,单机设计流量16.713 /s,叶片数 Z:3,导叶叶片数 5,灌溉期设计净扬程为 3.35m,排涝期设计净扬程为3.0m。

模型比尺为1:7.33。计算时选用0。叶片芭角,由于进、出水流道对计算存在-定影响,将进、出水流道与叶轮、导叶和弯管等-起作为计算区域。

2.2 网格划分及边界条件考虑到计算区域几何形状的复杂性,利用有限体积法,采用适应性强的四面体非结构化网格离散方程求解三维湍流,使轴流泵不规则边界的适应性增强。在微袖隙条件下,其对泵水力性能影响不大,忽略叶轮轮缘与泵体之间的间隙,设定轮缘与泵体间隙为0ram6 。由于本次计算区域存在旋转流场,采用多重参考坐标系方法 。

固壁面采用无滑移壁面边界条件,近壁区域采用标准壁面函数。图 1所示为0。叶片芭角计算模型及叶轮和导叶表面计算网格。

(a)计算模型 (b)叶轮导叶表面网格图1 0。叶片芭角计算模型及叶轮和导叶表面计算网格为了更真实地模拟试验过程,采用与试验相 口压力增大与试验结果的偏差就更大。这是因为同的初始条件,即在Fluent计算中,定义边界条件 在Fluent软件设置中,输入压力值都是相对于基为压力进口和压力出口,通过控制进出口压力差 准压力的,在进出口压力同时给定的有压管路中,计算在不同扬程下水泵的流量和轴功率,确定水 主要考虑的是压力差值,而不是某断面压力值,进泵的扬程、轴功率、效率与流量之间的关系。与叶 口压力值与基准压力值差越小,则总压力值与实片芭角为0。,设计扬程为3.35m时试验结果比 际情况越接近。所以,选用0压力进口,模拟效果较如表1所示。 最好。在后续计算中,全部选用该方法。

表 1 试验数据与数值模拟结果比较 2.3 湍流模型的选取进口压 进口压 流量 轴功率 效率 项目力(Pa) 力(Pa) (L/s) (kW) (%)试验数据 333.2 14.78 73.410 32863.5 335.5 15.41 71.51S-A10000 42863.5 320.4 15.31 68.78 模型20000 52863.5 259.1 14.89 57.120 32863.5 340.7 16.63 68.13K - 810000 42863.5 317.5 16.42 63.47 模型20000 52863.5 263.4 16.14 53.58从表可以看出,无论是 S-A模型还是 RNGK-8模型,都是选用 0压力进 口更接近试验结果,且 s-A模型计算结果更贴近实际。随着进RNG K-8模型是对瞬时 N-S方程用重整化群的数学方法推导出来的模型,适用于高应变率及流线弯曲程度较大的流动,主要针对高雷诺数的流动问题,对低雷诺数问题需要相应设置。

Spalart于 1994年提出了-种随时空演化的单方程涡粘系数模型,称为s-A湍流模型。s-A湍流模型属于涡粘性模 型,这类模 型的前提是Boussiness假设,认为局部雷诺应力张量通过湍流运动粘性系数与平均速度梯度成正比 J,即:- (u M f)2v S f-( u f) /3 (1)在 s-A模型中,湍流粘性系数定义为:tx p . (2)2012年第40卷第 11期 流 体 机 械 35其核心思想是引入中间变量 ,通过求解 的运输方程获得湍流运动粘性系数 [9],哟 运输方程为:警C 1 ) 吉V.[( ) ]( 们-[c - ] △ (3)其中 X3/(x c ), / ,C lC61/k (1C62)/ ,[ ] ,g-rC (r6-r),r ,厶:1-南 ,§S 厶,S√2 I式中 --与流动状态相关的函数,若流动状态是完全湍流,则含该函数项可以去掉d--流场某点至壁面的最朽离- 旋度矢量其它系数取值分别为 C 0.1355, 2/3,C620.622,C 17.1,C 20.3,C 30.3, 0.41。

文中分别选用 S-A湍流模型和 RNG K-湍流模型计算叶片芭角度为0。的各工况效率,采用压力进口为0的边界条件,出口边界条件采用各扬程下对应的压力值,得到效率曲线并与试验值对比如图2所示。

图 2 叶片 O。芭角时效率曲线由图2可以看出,用s-A湍流模型计算得到的效率曲线与试验效率曲线基本重合,非秤近实际情况,经计算 s-A模型与试验数据效率平均误差△ 仅为3.7l%明显优于RNG K-8模型的△ 8.78%,并且在计算过程中收敛速度比RNG K-模型快。因为 S-A模型对边界层计算效果较好,且对网格质量要求较低,可用于存在流动分离区的计算。s-A模型方程数少于RNGK-模型,计算速度较之更快 ”J。作为-种新出现的湍流模型,该模型在透平机械中的应用越来越普遍。本次计算存在流动和非流动区两个区域,并且轴流式水泵属于透平机械的-种,因此选用模型计算效果较好。

3 计算结果与分析3.1 流态分析图3是采用湍流模型,叶片芭角为 0。,在设计工况点时,全流道的流态分布。

图3 全流道流态分布从图3可以看出,水流到达叶轮前流速分布比较均匀,流态平稳,没有回流及旋流;在叶轮后部,流速有所提高,流态也较平稳,说明水泵的流道设计合理,可以保证其运行的稳定和安全。水流经过叶轮区时,由于叶轮的旋转运动,因此流态变化剧烈。

图4 叶轮压力面速度云图-。 0㈣瓣 馘隧叭 ∞∞ ∞ m 十 - ee4 4 e脚 州 ;专; l 曩瓣 激 瓣 O 0 0 0 小 0 -c耄 。

9 6 3 0 8 88 FLUID MACHINERY Vo1.40,No.11,2012为电力系统提供有效的服务。”[电力部机技(1994)22号];(3)国家鼓励大力推广光达牌滤油机,列入国家九五”重点推广计划[国科发成字(1997)358号]。

5 产品获奖情况(部分)(1)国家科技进步二等奖;(2)电力部科技进步-等奖;(3)教育部科技进步-等奖;(4)国家电力公司科技进步二等奖;(5)四川势技进步三等奖;(6)2000年国家级重点新产品;(7)国

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