旋噴泵集流管入口段優(yōu)化及數(shù)值模擬

曾 譽(yù)，胡軍科，劉陳江

（1.中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長沙 410083;2.中南大學(xué) 高性能復(fù)雜制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410083）

0 引言

旋噴泵主要是由前流道、葉輪、轉(zhuǎn)子腔、集流管等組成,具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、小流量、高揚(yáng)程、流量揚(yáng)程曲線平滑等特點(diǎn)[1～3]。集流管作為旋噴泵的核心部件[4,5],結(jié)構(gòu)大致可分為五個(gè)部分：入口段、入口轉(zhuǎn)角、擴(kuò)散段、出口轉(zhuǎn)角、出口直管段。

目前國內(nèi)研究者對集流管有著大量的優(yōu)化研究。從入口轉(zhuǎn)角、擴(kuò)散段、出口轉(zhuǎn)角段,宋懷德[6]運(yùn)用CFD工程軟件主要研究了集流管喉部截面,即入口轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致的影響；蘇麗娟[7]分別針對集流管的擴(kuò)散段和出口轉(zhuǎn)角處設(shè)計(jì)了不同結(jié)構(gòu)的對照仿真試驗(yàn),結(jié)果表明橢圓擴(kuò)散段截面集流管以及適當(dāng)加大出口轉(zhuǎn)彎半徑能有效降低局部滯留引起的水力損失,提高效率。而對于入口段,國內(nèi)研究者主要集中于入口形狀的研究,如楊凱越[8]提出了不同的集流管入口形狀以及入口和葉輪出口面積比值,得出在圓形入口形狀以及面積比值為0.14的情況下,旋噴泵能更有效的搜集高速旋轉(zhuǎn)液體,提高泵的揚(yáng)程和性能。

綜上,大多數(shù)國內(nèi)研究者們對于旋噴泵集流管各個(gè)部位的優(yōu)化設(shè)計(jì)中,對于入口段半徑和偏轉(zhuǎn)角度研究較少。本文以RO-D484型旋噴泵為研究對象,設(shè)計(jì)了旋噴泵物理模型并基于Fluent進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)工況下的數(shù)值模擬,重點(diǎn)研究了集流管不同入口段半徑、偏轉(zhuǎn)角以及兩種結(jié)構(gòu)相疊加對旋噴泵性能的影響,為旋噴泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的參考價(jià)值。

1 研究對象

RO-D484型旋噴泵的主要設(shè)計(jì)參數(shù)是流量Q=6.3m3/h,轉(zhuǎn)速為n=3000rpm,集流管結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 旋噴泵集流管結(jié)構(gòu)

原始模型集流管入口段結(jié)構(gòu)如圖2所示。集流管其他設(shè)計(jì)參數(shù)不變,通過單獨(dú)增大集流管入口段半徑,或者偏轉(zhuǎn)角度達(dá)到優(yōu)化集流管結(jié)構(gòu)的目的。采用這兩種優(yōu)化結(jié)構(gòu)都是為了使流體能夠更平滑高效的通過集流管的入口段和入口轉(zhuǎn)角,進(jìn)而減少集流管內(nèi)部的水力損失,以提高泵的揚(yáng)程和效率,新結(jié)構(gòu)的集流管與其他部件組裝,使用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

圖2 集流管入口段結(jié)構(gòu)示意圖

2 數(shù)值仿真設(shè)置

2.1 控制方程

對于定常、不可壓縮流動(dòng)且處于湍流狀態(tài)下的流場,通常采用三維雷諾平均NS方程,采用k-ε湍流模型是方程閉合[9]。控制旋噴泵內(nèi)部流場運(yùn)動(dòng)的是以下三個(gè)方程[10]。

連續(xù)性方程：

動(dòng)量方程：

湍動(dòng)能方程：

2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)定

使用專業(yè)網(wǎng)格劃分工具ANSYSICEM分別對旋噴泵原始四個(gè)核心部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分,采用非結(jié)構(gòu)體網(wǎng)格,對于尖銳、急轉(zhuǎn)彎部位進(jìn)行局部網(wǎng)格加密,組合后網(wǎng)格劃分節(jié)點(diǎn)總數(shù)為207051,網(wǎng)格總數(shù)為1197480,網(wǎng)格平均質(zhì)量約為0.85。優(yōu)化后的模型網(wǎng)格劃分操作相一致。

為應(yīng)對運(yùn)動(dòng)模型求解問題,Fluent提供了運(yùn)動(dòng)參考系進(jìn)行穩(wěn)態(tài)問題的求解。計(jì)算中使用到的邊界條件如下：

1）入口邊界條件：采用速度進(jìn)口,在前流道進(jìn)口處設(shè)置入口邊界,假定液體流速均勻：

其中,Q為泵的流量,S為前流道進(jìn)口的面積。

2）出口邊界條件：采用outflow自由流出。

3）網(wǎng)格區(qū)域設(shè)置及壁面邊界條件：通常對于設(shè)計(jì)多個(gè)運(yùn)動(dòng)部件或包含有非旋轉(zhuǎn)體的靜止面邊界時(shí),常采用多參考系模型[11]（MRF）進(jìn)行求解,將葉輪流道及其壁面、轉(zhuǎn)子腔流道及其壁面設(shè)置轉(zhuǎn)速3000rpm,其余設(shè)為絕對靜止,并在不同流道交界面設(shè)置interface面。

4）本文采用壓力基分離求解器,選擇收斂性較好的SIMPLEC算法。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

為了更好的研究集流管入口段對內(nèi)部流體流動(dòng)特性得影響,以下均取截面A、B進(jìn)行分析,如圖3所示,A面與XY平面平行且過集流管入口中心,B面與YZ平面平行且過集流管出口中心。

圖3 截面A、B示意圖

3.1 增大集流管入口段半徑

3.1.1 速度分布

圖4為集流管入口段半徑增大前后速度矢量圖。可以看出,從轉(zhuǎn)子腔進(jìn)入集流管的流體經(jīng)過入口轉(zhuǎn)角后大都貼著外側(cè)壁流動(dòng)。對比發(fā)現(xiàn),增大入口半徑后的集流管入口速度明顯更大,并且在擴(kuò)散段流體速度分布更為均勻,而原模型流體在擴(kuò)散段底端明顯更為紊亂。這是因?yàn)樵龃笕肟诙伟霃胶?集流管能夠搜集轉(zhuǎn)子腔中流速更大的流體,并且優(yōu)化后的模型入口段到入口轉(zhuǎn)角、擴(kuò)散段的過渡更為平滑,流體更順利的通過入口轉(zhuǎn)角,減少流體由于碰撞導(dǎo)致的水力損失。

圖4 集流管入口段半徑增大前后速度矢量圖

3.1.2 壓力分布

圖5為集流管入口段半徑增大前后壓力云圖。可以看出,兩種情況下壓力的極小值都出現(xiàn)在入口處,流體在此都有明顯的壓力波動(dòng),內(nèi)部高壓區(qū)主要在兩個(gè)轉(zhuǎn)角處。對比發(fā)現(xiàn),優(yōu)化后的集流管在入口轉(zhuǎn)角處的高壓區(qū)位于更下段,表明適當(dāng)增大入口半徑能使流體更 好的通過入口轉(zhuǎn)角,擴(kuò)散段由于優(yōu)化模型流體流速更為平穩(wěn),故壓力分布更為均勻,水力損失小,出口壓力更大。

圖5 集流管入口段半徑增大前后壓力云圖

3.1.3 泵的性能比較

定義旋噴泵的理論揚(yáng)程：

定義旋噴泵的效率：

式中：pin為泵的進(jìn)口壓力,pout為泵的出口壓力,N為軸功率,Ne為有效功率,式(7)中M為泵的轉(zhuǎn)矩,n為轉(zhuǎn)速,式(8)中G為質(zhì)量流速,G=svp,s為入口截面積,v為入口速度。

仿真得到的數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算如表1所示。可以看出,集流管優(yōu)化后的旋噴泵揚(yáng)程和效率都有一定的提升,增大集流管入口段半徑有積極的影響。

表1 集流管增大入口半徑前后數(shù)值模擬結(jié)果

3.2 增大集流管入口段偏轉(zhuǎn)角

3.2.1 速度分布

集流管增大入口偏轉(zhuǎn)角后流體速度矢量圖如圖6所示。和圖4(a)對比發(fā)現(xiàn),兩種結(jié)構(gòu)的流體速度矢量圖總體分布區(qū)別不大,流體在經(jīng)過入口轉(zhuǎn)角后,多數(shù)流體沿轉(zhuǎn)彎外側(cè)面流動(dòng),但在集流管同一位置處,增大入口偏轉(zhuǎn)角后的內(nèi)部流體流速更大。

圖6 增大入口偏轉(zhuǎn)角速度矢量圖

3.2.2 壓力分布

圖7為集流管增大入口偏轉(zhuǎn)角后壓力云圖。與圖5(a)原模型壓力云圖相比可以看出,原模型入口段壓力波動(dòng)集中在集流管的入口,變化劇烈,而優(yōu)化后的集流管,入口段長度的增加,增加了流體經(jīng)過入口段的時(shí)間,使得入口段壓力變化更為平緩,為高速流體經(jīng)過入口轉(zhuǎn)角前提供了一定的緩沖作用,相較于原模型,結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,流體的壓力更大,也表明增大入口偏轉(zhuǎn)角確實(shí)有利于降低集流管內(nèi)部的水力損失。

圖7 增大入口偏轉(zhuǎn)角壓力云圖

3.2.3 泵的性能比較

仿真得到的數(shù)據(jù)經(jīng)式(5)、式(6)的處理后得到表2,可以看出,集流管優(yōu)化后的旋噴泵揚(yáng)程和效率都很大的提升,增大集流管入口段偏轉(zhuǎn)角對于泵的性能有很大的改善。

表2 集流管增大入口半徑前后數(shù)值模擬結(jié)果

3.3 疊加優(yōu)化模型

通過以上集流管入口段優(yōu)化研究,表明分別增大入口段半徑和偏轉(zhuǎn)角都有積極影響,現(xiàn)針對同時(shí)進(jìn)行這兩種優(yōu)化結(jié)構(gòu)的集流管進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,研究疊加優(yōu)化結(jié)構(gòu)的可行性。

3.3.1 速度分布

集流管疊加優(yōu)化模型的速度矢量圖如圖8所示。可以對比看出,疊加優(yōu)化后的模型總體速度矢量分布規(guī)律同其他模型基本一致,但入口處有更為明顯的高速流體,且同一位置的流速比前面任意模型都要大,該模型綜合了前面兩種優(yōu)化模型能搜集更高速的流體以及使流體更平緩、平滑通過入口段、入口轉(zhuǎn)角的特點(diǎn)。

圖8 疊加優(yōu)化速度矢量圖

3.3.2 壓力分布

圖9為集流管疊加優(yōu)化模型壓力云圖。可以看出,入口段壓力波動(dòng)和圖7相類似,總體的壓力變化較為均勻,擴(kuò)散段下端由于流體流速出現(xiàn)紊亂而導(dǎo)致壓力輕微波動(dòng),而與前面模型相比,各部位壓力數(shù)值都明顯更大。

圖9 疊加優(yōu)化壓力云圖

3.3.3 泵的性能比較

仿真得到的數(shù)據(jù)經(jīng)式(5)、式(6)的處理后得到表3。疊加優(yōu)化后的模型揚(yáng)程和效率有著極大的提升,遠(yuǎn)高于前面任意模型。

表3

4 結(jié)語

1）標(biāo)準(zhǔn)工況下,適當(dāng)增大集流管入口段半徑,集流管能更高效的搜集高速流體,同時(shí)減少流體在入口轉(zhuǎn)角處碰撞引起的水力損失,使得旋噴泵集流管內(nèi)部速度、壓力分布更為均勻,對泵的揚(yáng)程和效率有一定的提升。

2）適當(dāng)增加入口段偏轉(zhuǎn)角度,集流管入口段壓力波動(dòng)更為平穩(wěn),降低了流體在入口段、入口轉(zhuǎn)角處的水力損失,泵的揚(yáng)程和效率都得到明顯提高。

3）相同工況下,集流管疊加優(yōu)化結(jié)構(gòu)是可行的且模型的揚(yáng)程和效率有著極大的改善。

4）三種優(yōu)化模型都有利于改善旋噴泵集流管內(nèi)部的水力損失,提高泵的性能。