双蜗壳内部定常湍流数值研究

　　　　　　　　　　　　　　2　004年6月Jun.2004JOURNALOFQINGDAOUNIVERSITY(E&T)

　文章编号:10069798(2004)02007204

双蜗壳内部定常湍流数值研究

周　兵,陈乃祥

(清华大学热能工程系,北京100084)

摘要:为研究双蜗壳内部流场特性及其结构形式对流场的影响,对双吸离心泵的双蜗壳

内部定常三维湍流进行了全流道数值模拟。数值方法基于雷诺时均N2S方程,采用了标

ε湍流模型,并通过SIMPLE算法进行速度压力耦合。计算得到了蜗壳内部断面的准k2速度矩、速度矢量以及压力等参数的分布图,并获得了水泵的外特性以及蜗壳水力损失占总损失的比重。计算表明:该方法可较好地模拟双蜗壳的非均匀进口条件;进口回流和横截面内的二次流现象与蜗壳隔板的结构有重要关系;计算扬程和设计扬程吻合比较好。关键词:双吸离心泵;双蜗壳;湍流;数值模拟中图分类号:TH312　　　　　　　　　　　文献标识码:A

螺旋形压出室即蜗壳是离心泵中应用最广泛的一种压出室形式,其结构和水力性能对离心泵的受力、运行情况有重要影响。研究蜗壳内部流动规律对提高离心泵的效率和稳定性以及改善水泵设计有重要意义。蜗壳内部流动研究早期以理论和试验为主,且理论研究和设计多基于无粘流动和转轮出口流动的轴对称假设,但由于实际流动中粘性不可忽略以及转轮有限叶片数带来的蜗壳进口的非均匀性使得传统方法很难获得对蜗壳内流动的精确描述。随着计算机技术和计算流体力学的迅速发展,数值方法已成为蜗壳内部流动研究的一个重要手段。

目前已有大量的文献对蜗壳内部流动进行的数值研究[1-3],这些文献多采用对单个蜗壳进行计算或蜗壳转轮联合计算的方法。单个蜗壳计算在给定蜗壳的非均匀进口条件上存在困难,蜗壳转轮联合计算克服了这个缺点,但在转轮进口条件上存在近似。考虑到由于吸入室入口和蜗壳出口的流动比较均匀,边界条件容易给定,因此基于吸入室、转轮、蜗壳的全流道计算可以更加精确地描述蜗壳内部的流动规律。

当前研究的蜗壳形式多为常规蜗壳,由于双蜗壳结构可以使内部流动更加对称,径向力大为减弱,并使得泵运行更加平稳,因而获得广泛的应用。但目前对双蜗壳的数值研究还相对较少。

本文针对某双吸离心泵的双蜗壳设计进行了全流道计算。根据计算结果,对双蜗壳内部的流动规律尤

ε湍流模型。其是隔板对流动的影响进行了详细的分析。数值模拟基于雷诺时均N2S方程,采用了标准k2

1　控制方程

将不可压流体的N2S方程进行时间平均可得到雷诺平均N2S方程,其在直角坐标系下的张量为

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式中,μt为涡粘系数,k为湍动能,Cμ为常数,ε为湍动能耗散率。

ε湍流模型,需要求解湍动能k和耗散率ε的方程为了封闭k2

式中,C1ε,C2ε为常数;σε分别是k和ε的普朗特数;Gk为平均速度梯度引起的湍动能生成项。以上方程k,σ中的模型常数分别为[4]:Cμ=0.09,C1ε=1.44,C2ε=1.92,σε=1.3。k=1.0,σ

以上控制方程可直接应用于静止部件(吸入室和蜗壳)内流场的计算,在临近固壁的区域采用对数律壁面函数。转动部件(转轮)内流场计算在转动参照系下进行,其控制方程与静止部件内流场的控制方程的形式相同,但速度采用转动参照系下的相对速度,同时将惯性力的影响在源项中加以考虑。

2　数值方法

压力速度耦合采用了SIMPLE[5]算法,动量、湍动能和湍动能耗散率方程的对流项均采用一阶迎风格式。

边界条件给定为:进口位于吸入室进口断面,给定其速度大小和方向,湍流参数通过给定湍流度和进口特征尺度给出;出口位于扩散管的末端,采用充分发展湍流假设,即变量沿出口截面的法向导数为零;固壁边界采用无滑移边界条件即流体速度等于边界速度。

动静接触边界处理和多块网格间的内部界面一样,只是在界面两侧分别采用静止和旋转参照系下的控制方程。对界面通量采用如下处理方法:吸入室和转轮的界面通量由吸入室侧计算得到,转轮和蜗壳的界面通量由转轮侧计算得到。在计算中要用到动静参照系下的相对速度和绝对速度之间的变换公式。这样的动静接触边界处理可以允许蜗壳进口的周向不均匀分布,并且可以计算回流。

3　几何模型和网格划分

双吸离心泵的泵体由半螺旋形吸入室、转轮、蜗壳三部分组成。转轮由一对背靠背布置的叶轮构成,每个叶轮有六个叶片。由于几何结构比较复杂,采用了对复杂边界适应性强的非结构化四面体网格对计算域进行网格划分,图1为全流道计算网格图。

图2左边为双蜗壳的结构图。蜗壳由隔板分成两部分,隔板按照等厚度设计。图2右上方为隔板头部的局部放大图,可以看到隔板头部由于两边的过流断面倒角相同,故其形状呈轴对称。图2右下方为隔板尾部的局部放大图,由于其两边过流断面倒角半径不等,所以是一个变倒角过渡,曲面形状比较复杂。

水泵的设计转速为2900r/min,设计流量为160m3/h,设计扬程80m。

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4　计算结果分析

图3为蜗壳75度包角截面的速度矩分布等值线图,从图中可以看到速度矩分布基本对称于蜗壳中心平面,在邻近壁面处由于边界层作用使速度矩梯度比较大,在远离壁面处分布就比较均匀,接近于等速度矩分布,表明设计比较合理。图4为该截面处的速度矢量图,图中的矢量为绝对速度在截面内的分量,从图中可以看到存在一对关于蜗壳中心平面对称的方向相反的漩涡,这种漩涡在多个蜗壳断面内都存在,并且在多种文献中都有论述[6-7]。

图5左边为z=0截面上蜗壳顶部流动的速度矢量图,从图中可以看到,流动在没有隔板的区域的流态比较好,但在隔板头部产生了明显的水流撞击,同时水流由于隔板的偏离作用而产生流向转轮的分量,该分量对流动有堵塞作用,会造成一定的能量损失。这种回流性质的蜗壳进口流动通过单蜗壳计算无法获得,表明全流道计算可以较好地模拟非均匀蜗壳进口条件。图5右边为隔板头部的静压分布图,可以看到,静压分布基本上左右对称,在中部也就是水流撞击最严重的部位的压力最高,向两边压力逐渐降低。

图6为蜗壳扩散段内紧接隔板尾部后面与主流方向(x轴方向)垂直的2个断面上的流速矢量图,图中速度为绝对速度在断面上的投影。可以看到在断面1上存在比较明显的3个漩涡。漩涡主要分布在与隔板尾部对应的位置上,表明其产生与隔板的影响有重要关系。由于隔板尾部两侧的倒角半径不同,内侧的半径较大,因而获得比隔板外侧流动较大的与主流垂直的速度,这种垂直面内的二次流动速

图6　断面速度矢量图

图5　隔板头部的速度矢量和压力分布图

度差别在隔板尾部的顶端和底端产生了2个方向相反的漩涡,并进而在中部附近诱发了第3个漩涡。与断面1相比,随着流动距离的增加和面积的扩大,断面2内的漩涡强度有了明显的减弱。

图7为各断面内的绝对流速幅值的等值线图,可以看到在断面1上隔板内外侧的流速存在明显的差别,内侧流速普遍比外侧要高,这是由于外侧流体流动距离比较长的原因。断面2的速度极值比断面1有所减少,并且分布更加均匀。这是因为随着断面面积的扩大,一部分动能转化为压能,同时粘性作用也使得断面速度分布渐趋一致。

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图7　断面速度等值线图

由计算结果得到在吸入室进口断面和蜗壳出口断面的总压分布,将总压分布按面积进行平均得到水泵进出口的平均总压,进而求得进出口平均总压的差值即水泵的总扬程,本次数值计算得到的水泵扬程为78.86m,与设计值80m吻合较好。计算得到的轴功率为42950.56W,总损失功率为8585.11W,其中蜗壳的总功率损失为3378.9W,占总损失比重为39.36%。5　结论

ε湍流模型的三维全流道定常湍流计算以研究其对双吸离心泵进行了基于雷诺时均N2S方程,标准k2

双蜗壳内部流动规律,并详细分析了隔板对蜗壳内流动的影响。计算表明该方法可以很好地模拟双蜗壳内的复杂流动现象。对计算结果的分析有助于加深对双蜗壳内部流场的认识,并可对设计起到指导作用。参考文献:

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NumericalStudyoftheSteadyTurbulentFlow

inaDoubleVolute

ZHOUBing,CHENNai2xiang

(DepartmentofThermalEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

Abstract:Tostudytheflowfieldinthedoublevoluteandtheinfluenceofthevolute’sstructureonit,thesteady32dturbulentflowinsidethedoublevoluteofamultiflowcentrifugalpumpwassimulatedthroughthefullpassagecalculationofthepump.ThesimulationusestheReynoldsAveragedNavier2Stokesequationsasitsgov2

(下转第92页)

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DesignoftheAutocontroltoVeinInfusion

CAOHai2jian,PANGYan2ying

(CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,QingdaoUniversity,Qingdao266071,China)Abstract:Toreducethenurses’labourandbeconvenientforpatients’familymembers,wecarriedonautomat2iccontroltoThomasinfusionwhichincludestheaspectsoftotalamount,temperature,dripspeed.Thisarticleshowsthesolvablemethodsfromdevicechoosing,circuitdesigning,softwarewriting.Thecomparativelyreli2ableplanofdesignhasbeengiven.Thisdevicehascomparativelycompletecontentofcontrol,whichworksreli2ablyandcanbeappliedinlargeormedium2sizedhospital,andparticularlybeapplicabletotheinfectionsectionsickroom.

Keywords:veininfusion;PIC;PTC;CANBUS;A/D;CCP

(上接第75页)

εmodelandthecouplingbetweenvelocityanderningequations.Turbulencewasmodeledbythestandardk2

pressureisthroughtheSIMPLEalgorithm.Thedistributionofthevelocitymomentandotherflowparametersareobtainedfromthesimulationbesidestheperformanceofthepumpandtheratioofthehydrauliclossofthevolutetothetotallossofthepump.Theresultsshowthatthefullpassagecalculationcansuccessfullysimulatethenonuniforminletconditionofthevolute,theshapeoftheclapboardinthevolutehasimportantinfluenceup2onthebackflowintheinletandthesecondaryflowinthecrosssections,thecalculatedheadofthepumpisingoodagreementwiththedesignhead.

Keywords:multiflowcentrifugalpump;doublevolute;turbulentflow;numericalsimulation