基于非定常数值模拟的微型循环水泵性能预测

《机电技术》2010年第2期机电研究及设计制造基于非定常数值模拟的微型循环水泵性能预测郑炜(福建省机械科学研究院，福建福州350005 )摘要:为准确预测微型循环水泵外特性，分别采用SsT k- o湍流模型和RNG k-ε湍流模型及滑移网格技术，对微型循环水泵内叶轮、吸水室、环形压水室和进出口管的非定常流动进行了数值模拟，并与试验进行了对比分析，研究表明SST k-w湍流模型的预测精度较高。关键词:微型循环水泵;湍流模型;非定常:外特性中图分类号: TH311 文献标识码: A文章编号: 1672-4801 (2010) 02-086-03目前，很多学者应用CFD技术对离心泵进行定C, =0.0845,a, =a, =1.39 .常流动数值模拟,在指定的工况下对其扬程、轴功7(1-η/n)率、效率等性能参数进行预测，以检验其性能是否Cin =C1+ βn达到设计要求"。但同时研究发现，由于叶轮复杂的几何形状、转动的叶片与静止的压水室间的相对C. =1.42,C2e =1.68运动、偏离最优工况时吸水室水流圆周运动等因素η=(2E, E)IE10u.0u,使得离心泵内部流动呈现非定常流动的特征。为εax, ax,此,本文采用不同湍流模型对微型循环水泵进行了n。=4.377,βB = 0.012三维非定常计算，预测了其外特性。应用SST k-w湍流模型时，其k和w方程1数值计算方法如下同:1.1 数学模型a(ok)。a(pUk).=R - β'pka+-(4)a[-.)周]对于不可压缩牛顿流体的非定常流动，笛卡尔坐标系下的连续方程与运动方程可表示为“”6(oU,)PR -Apke'+丛2w」a(@| a(pu)+V.(pu)=0(1)x,+(1- F)2pσ。218k8wo。,)x, J(5)+V.(u)= ρF-Vp+ pAuoax, ax,式中1-水的密度;式中F,- tan h(arg;)u一ρF一质量力:-速度矢量;arg, = min max正500) 40.k( B'oy' y'x) CD.y'」p- -压力;μ一动力黏度。CD。= max 2pσw',1.0x10~10为了使上述方程组封闭，对于湍流的处理方oax, x,式，本文采用RNG k-ε 湍流模型和SST k-w湍2内部流场的数值模拟流模型。应用RNG k-ε模型时，其k和e方程如下“:2.1计算对象及网格划分a(pk), (phu)__ 8]+G,-pe(2)微型循环水泵的几何参数及设计工况参数如下:叶轮外径=53mm 叶片粉z=8,设计流量3(p) , a(pEu)。8(a.yu o1+C.=g-c.C (3)Qd=中国煤化工Em，转速n=JYH2940. wra n5-110共口CNM Hea简图如图1所式中Ha=μ+A A=PC,86机电研究及设计制造《机电技术》2010年第2期有限体积法对控制方程在空间域上进行离散，变量存储在控制体中心。压力项采用二阶格式，其上他各项均采用QUICK格式。在时间域上,采用二阶全隐格式进行离散。压力和速度的耦合求解采用SIMPEC算法。本计算中，计算精度为1X 10',为足够分辨内部流场的非定常信息，时间步长设置为5.669X 10°s,即每-时间步长叶轮转过1°。当计算收敛后时间步向前推进，同时叶轮网格转到新的位置，开始进行新时间步上的计算。进口边界指定为速度进口条件，其值通过流量和进口过流面积确定，并给定湍动能和湍流耗1-泵体; 2-叶轮; 3-轴端过滤网; 4- 锁紧件; 5-V型圈;散率值。出口边界指定为自由出流条件,认为泵6-托架盖; 7-泵体密封垫; 8管接头密封垫; 9-定子套:内流动在出口部分已达到充分发展状态。旋转叶10-止推轴承; 11-止推轴承橡胶垫; 12-定 子绕组;轮与静止压水室间动静交界面的信息传递，引入13-转子: 14- 定子套调整垫; 15-水润滑轴承;滑移网格技术”进行处理。16-机壳; 17-中间绝缘纸; 18- 前端绝缘纸3数值预测结果与分析图1微型循环水泵结构简图2.2计算求解本文选取微型循环水泵的5个运行工况进行运用Cambit进行网格划分时，考虑到模型的了数值模拟，分别为Q/Q=0.6、 0.8、1.0、1.2复杂几何形状，采用适应性强的非结构化混合网和1.4. 各工况点的数值模拟值是对叶片-一个旋格。应用RNGk-ε模型计算时网格数约900000转周期内均匀地取了5个时刻的值进行的平均。(图2),应用SST k-w模型计算时对近壁区进试验在2级精度试验台进行，符合GB/T行了加密处理，网格数约1900 000。3216- 2005 <回转动力泵水力性能验收试验1级和2级》的要求。数值模拟与试验得到的外特性对比曲线如图3所示。扬程曲线824，SSTh-a(6.8心-RNG k(a)吸水室(b)环形压水室.-实测值12在店20本4252流量Q(m'b)(a)扬程曲线对比轴功窜曲线(c)叶轮图2应用 RNG k-ε模型时的计算网格中国煤化工RNCR应用商用软件Fluent,采用RNG k-e和SST-实剃值k- w两种湍流模型对微型循环水泵内部流场进行YHCNMHG-。数值模拟。首先通过三维定常湍流计算得到定常流量Q(m'h)流场结果，并作为初场，进行非定常计算。应用(b)轴功率曲线对比87《机电技术》2010年第2期机电研究及设计制造塑料叶轮，表面光滑且外径小，所以未对圆盘摩效事曲线擦损失加以修正。采用SST k-w模型与试验得到的功率曲线在趋势上基本- -致, 而RNGk-e模型得到的功率曲线与实测曲线偏差较大。在效率的预测上，最高效率点位置相同，大约在设计流量十SST ka附近。一实测值在-1.820242市社4结论流量Q(m't)从微型循环水泵非定常数值模拟及其与试验(c)效率曲线对比的对比可以得出以下结论:图3性能曲线结果对比(1)利用滑移网格技术及相应的湍流模型可从图3可以看出，在扬程的预测上，采用两以很好地模拟微型循环水泵内的三维非定常流种方法与试验得到的曲线类似，小流量工况数值动。(2)SST k-w湍流模型较RNG k-ε湍流能更计算值略低于试验实测值，设计及大流量工况均好地预测微型循环水泵的性能。高于试验实测值,各工况采用SST k-w模型计算的扬程均比采用RNG k-ε模型计算的扬程误差小。在轴功率的预测上，由于微型循环水泵采用参考文献:[1]王秀勇,王灿星.基于数值模拟的离心泵性能预测[J].流体机械，2007, 35(10):9-13.[2]何秀华.水泵压力脉动的类型研究[J].排灌机械，1996,14 (4) : 47-50.[3]肖若富, 王福军,姚志峰.多功能便携式泵与泵站综合测试系统开发[A].2009全国大型泵站更新改造研讨暨新技术、新产品交流大会论文集[C].厦门:中国水利学会泵及泵站专业委员会、全国泵站科技信息网，2009, 355- 357.[4] Yakhot V, Smith L ML The Renormalization Group, the E -Expansion and Derivation of Turbulent Models[J].Journal of Scientific Computing, 1992.[5] Menter F R. Mutiscale Model for turbulent flows[C]. 24th Fluid Dynamics Conference. American Instituteof Aeronautics and Astronauticas, 1993.[6] Farrant T, Tan M, Price W G. Cell boundary el ement me thod applied to laminar vortex shedding from circularcylinders [J]. Computers and Fluids, 2001, 30(2): 211-236.[7]徐朝晖,吴玉林,陈乃祥等.基于滑移网格与RNC湍流模型计算泵内的动静干扰[J].工程物理学报, 2005, 26(1):66-68.[8] GB/T 3216- 2005，回转动力泵水力性能验收试验1级和2级[S].作者简介:郑炜(1977年-), 男，工程师，主要从事泵类产品检测。中国煤化工MYHCNMHG88