多工况下混流泵叶轮非定常空化特性分析

作者:李景悦;赖喜德;朱李;赵玺;罗丽 刊名:《水力发电学报》 上传者:李祯

【摘要】叶轮空化是降低混流泵水力效率与使用寿命的重要原因之一。为进一步优化叶轮流道,改善混流泵的空化性能,基于计算流体力学方法对某混流式模型泵进行全流道汽液两相流非定常流动数值模拟,以分析0.5Q~1.0Q工况下混流式叶轮的空化特性。重点探究不同空化余量对空泡体积分数的影响,研究空泡的分布特点,捕捉空泡随时间的变化规律。结果表明,在叶轮背面进口边附近最先初生空化,体积组分大的空泡多集中于叶片头部,若空化余量足够低,整个叶轮流道将被空泡占据。随着流量的降低,混流泵的临界空化余量值有所下降,但流量越低空泡严重发展的速度越快,且空泡含量的变化成指数函数增加。

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0引言空化现象是引起叶片泵内部水力不稳定现象、造成部件损伤、降低机器运行效率、减少泵使用寿命的重要因素。作为混流泵的核心部件,叶轮在空化条件下的瞬态流动特性,不仅影响着泵的正常运行,还关系着机器的安全性、可靠性及长期性[1-4]。目前,国外关于混流泵的研究相对成熟,但空化现象依然作为影响泵性能的关键因素之一,备受关注。专家、学者对不同工况下泵的空化性能进行深入研究、分析,试图优化泵的结构,改善泵的空化性能,提高泵的使用寿命与稳定性[5-8]。P.U.Thamsen等分析了污水泵的空化特性,得到了空化余量与空化效应之间的关系[9]。Medvitz等对离心泵空化流场进行仿真模拟,分析了非设计工况下泵的空化性能[10]。在国内,混流式叶轮的流动性能也逐渐成为水力机械设计与制造过程中重点关注的问题[11-13]。吴志将等对混流泵进行数值仿真捕捉到二次流等水力不稳定现象[14]。甘加业等介绍了混流泵叶轮空化模拟方法,预测了空化发生区域[15]。袁春元结合试验得到叶轮三维流场的流动特性[16]。然而,由于两相非定常计算不易收敛,且计算量大等因素限制,前人对泵的相关研究多集中在单相流动或是两相定常数值模拟[17-19],极少探究空化条件下混流泵的非定流动特性。针对此问题,本文以某厂生产的混流泵为模型,通过汽液两相瞬态计算,分析不同空化余量对混流泵叶轮流动特性的影响,重点探究叶轮叶片进口空化性能,捕捉空泡的形成及发展过程。其目的在于深入了解空泡分布、体积份额及其含量的变化规律,寻求空化条件下混流式叶轮的流动特性,为优化与改善叶轮流道提供一定的理论参考。1计算模型1.1几何模型与网格划分计算采用全流道数值模拟,图1给出了计算所用混流泵,主要包括进口段、叶轮、导叶、以及出口四部分。该模型泵的设计流量Q=23790m3/h,设计扬程H=96m,叶轮与导叶叶片数分别为7和12,转速n=1485r/min,轴频fn=24.75Hz,叶频f=173.25Hz。图1混流泵计算域Fig.1Computationaldomainofamixed-flowpump由图1不难发现,计算时对该模型泵的进出口做了适当延伸,其目的在于使仿真更加接近于实际情况。为了确保计算的准确性,在流动梯度大的地方做了网格加密处理,并对整个网格划分进行了网格无关性验证,表1给出了最终采用的网格方案。表1流体域网格划分情况Table1Numbersofgridsincomputationaldomain网格数节点数单元数网格数节点数单元数进口段1190764227导叶187941886332叶轮2452101200912出口895144852441.2计算方法数值模拟满足连续方程和雷诺时均N-S方程,选用SST湍流模型对N-S方程中的应力项进行处理。由于叶轮以恒定速度旋转,因此对进口段出口与叶轮进口,对叶轮出口与导叶进口采用Frozen-Rotor方法,并在瞬态计算中使用TransientFrozen-Rotor模式。对模型泵采用商业CFD软件进行仿真模拟,计算时给定进口边界条件为质量流量,出口边界条件为压力。利用RayleighPlesset汽泡动力学均相流动模型对空泡的发生、溃灭进行模拟。非定常计算以定常计算的结果为初始值,通过有限体积法对瞬时方程进行离散,叶轮每旋转3为一个时间步长。为确保计算的收敛性,在前处理时设置泵的扬程和效率作为监控条件,经计算,发现在叶轮旋转四个周期后,其扬程变化小于0.06%,效率变化小于0.05%,流场已相对稳定。又考虑到两相瞬态模拟对计算资源的高需求,过多的计算并没有较大

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