高比轉(zhuǎn)速軸流泵水力模型的設(shè)計(jì)

高比轉(zhuǎn)速軸流泵水力模型的設(shè)計(jì)

1軸流泵內(nèi)部流動(dòng)軸流泵是高比旋轉(zhuǎn)葉片泵，屬于大、低流量，廣泛應(yīng)用于節(jié)水農(nóng)業(yè)排水、市政工程等。南水北調(diào)東線工程開工建設(shè)對(duì)軸流泵水力模型研究提出了新的更高要求,因此有必要對(duì)軸流泵的水力設(shè)計(jì)方法和內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行研究。軸流泵內(nèi)部流動(dòng)為三維非定常紊流流動(dòng),并且軸流泵過(guò)流部件為復(fù)雜的空間曲面,致使LDV和PIV等先進(jìn)內(nèi)流測(cè)試技術(shù)在軸流泵內(nèi)部流動(dòng)的測(cè)量中受到制約。而日益成熟的計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法則可以彌補(bǔ)試驗(yàn)研究的不足,可以得到流場(chǎng)內(nèi)部任意位置的流動(dòng)細(xì)節(jié),在模擬離心泵、混流泵和軸流泵內(nèi)部流動(dòng)方面已取得相關(guān)成果。因此,在獲得水力模型大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,有必要采用CFD技術(shù)進(jìn)一步探索軸流泵的內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律。作者采用流線法設(shè)計(jì)軸流泵葉輪,已成功開發(fā)出了系列軸流泵水力模型。為了從理論上考察這種方法的有效性,本研究應(yīng)用CFD技術(shù),對(duì)軸流泵水力模型三維定常流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算,并將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,總結(jié)高效水力模型的流動(dòng)參數(shù)特征,從而為進(jìn)一步提高軸流泵水力設(shè)計(jì)水平提供借鑒。2葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定傳統(tǒng)的軸流泵水力設(shè)計(jì)方法常用的有升力法和圓弧法。水力設(shè)計(jì)實(shí)踐表明,按升力法和圓弧法設(shè)計(jì)的葉輪葉片,其沖角從輪緣到輪轂逐漸加大,造成葉片過(guò)度扭曲,高效區(qū)范圍窄,不能滿足更高性能的要求,尤其在非設(shè)計(jì)工況運(yùn)行時(shí),效率下降很快。軸流泵與離心泵和混流泵相比,雖然葉片形式有差別,但都屬于葉片泵,流線法設(shè)計(jì)出了大量性能優(yōu)秀的離心泵和混流泵,因此,借鑒流線法設(shè)計(jì)軸流泵葉輪。采用流線法設(shè)計(jì)時(shí),以自由旋渦vur=const為基礎(chǔ),對(duì)葉輪葉片從輪緣到輪轂的環(huán)量分布進(jìn)行線性修正,加大葉片輪緣側(cè)環(huán)量,減小葉片輪轂側(cè)環(huán)量。翼型厚度變化規(guī)律選用791翼型,該翼型經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期水力設(shè)計(jì)的驗(yàn)證,在行業(yè)內(nèi)得到廣泛認(rèn)可和采用。選擇沖角時(shí)采用從輪轂到輪緣增加的方式,沖角取值范圍是0°～3°,比轉(zhuǎn)速越大,沖角取值越小。而其余的參數(shù)按照傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的相關(guān)規(guī)律選擇。本文以比轉(zhuǎn)速ns=1000的水力模型為算例,該模型的設(shè)計(jì)參數(shù)為:流量Q=0.35m3/s,揚(yáng)程H=4.58m,轉(zhuǎn)速n=1450r/min。葉輪直徑為300mm,輪轂直徑為120mm,葉輪葉片數(shù)為3片,導(dǎo)葉葉片數(shù)為6片。設(shè)計(jì)的三維水力模型如圖1所示。3流量控制方程和計(jì)算模型3.1u3000特定u采用商用軟件FlUENT進(jìn)行CFD分析,軸流泵內(nèi)部流場(chǎng)由連續(xù)性方程、雷諾時(shí)均N-S方程(動(dòng)量方程)和紊流模型所控制。紊流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型,采用SIMPLEC算法,有限體積法離散流體域。動(dòng)量、紊動(dòng)能和紊動(dòng)耗散率方程中的對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)差分格式,擴(kuò)散項(xiàng)采用二階中心差分格式。求解過(guò)程中的松弛因子分別為:壓力0.3,速度0.7,紊動(dòng)能和紊動(dòng)耗散率0.8。在以z軸為旋轉(zhuǎn)軸,以葉輪主軸角速度ω旋轉(zhuǎn)的相對(duì)直角坐標(biāo)系(x,y,z)中,考慮Boussinesq渦粘性模型,定常不可壓紊流流動(dòng)的連續(xù)方程和動(dòng)量方程為:?E?x+?F?y+?G?z=S(1)?E?x+?F?y+?G?z=S(1)其中E=[ρu,ρuu-μeff?u?x,ρuv-μeff?v?x,ρuw-μeff?w?x]ΤF=[ρv,ρvu-μeff?u?y,ρvv-μeff?v?y,ρvw-μeff?w?y]ΤG=[ρw,ρwu-μeff?u?z,ρwv-μeff?v?z,ρww-μeff?w?z]ΤS=[0??x(μeff?u?x)+??y(μeff?v?x)+??z(μeff?w?x)-?p*?x+2ρωv??x(μeff?u?y)+??y(μeff?v?y)+??z(μeff?w?y)-?p*?y-2ρωu??x(μeff?u?z)+??y(μeff?v?z)+??z(μeff?w?z)-?p*?z]E=[ρu,ρuu?μeff?u?x,ρuv?μeff?v?x,ρuw?μeff?w?x]TF=[ρv,ρvu?μeff?u?y,ρvv?μeff?v?y,ρvw?μeff?w?y]TG=[ρw,ρwu?μeff?u?z,ρwv?μeff?v?z,ρww?μeff?w?z]TS=???????????????????0??x(μeff?u?x)+??y(μeff?v?x)+??z(μeff?w?x)??p??x+2ρωv??x(μeff?u?y)+??y(μeff?v?y)+??z(μeff?w?y)??p??y?2ρωu??x(μeff?u?z)+??y(μeff?v?z)+??z(μeff?w?z)??p??z???????????????????式中ρ——流體的密度u、v、w——相對(duì)速度在坐標(biāo)軸方向上的分量p*——紊動(dòng)能k和離心力的折算壓力,p*=p+23k-12ρω2r2p?=p+23k?12ρω2r2r——任一點(diǎn)相對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的半徑μeff——等效粘性系數(shù),μeff等于分子粘性系數(shù)μ和Boussinesq渦粘性系數(shù)μt之和,μeff=μ+μt為確定μt,選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型:ρdkdt=??xi[(μ+μtσk)?k?xi]+Gk-ρε(2)ρdkdt=??xi[(μ+μtσk)?k?xi]+Gk?ρε(2)ρdεdt=??xi[(μ+μtσε)?ε?xi]+Gε1εkGk-Cε2ρε2k(3)ρdεdt=??xi[(μ+μtσε)?ε?xi]+Gε1εkGk?Cε2ρε2k(3)模型常數(shù)σk=1.0,σε=1.3,Cμ=0.09,Cε1=1.44,Cε2=1.92。3.2水力模型測(cè)試為準(zhǔn)確地了解軸流泵內(nèi)部流動(dòng)情況,需要對(duì)軸流泵模型整個(gè)流場(chǎng)進(jìn)行三維定常流動(dòng)數(shù)值計(jì)算。計(jì)算區(qū)域包括進(jìn)水直管、葉輪、導(dǎo)葉、出水直管,計(jì)算時(shí)采用多重參考坐標(biāo)系方法?？紤]到計(jì)算區(qū)域幾何形狀的復(fù)雜性,采用了適應(yīng)性較強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格,水力模型測(cè)試時(shí),輪緣與泵體之間的間隙為0.15～0.25mm,在該間隙條件下,對(duì)泵水力性能指標(biāo)影響不大,為簡(jiǎn)化數(shù)值計(jì)算,設(shè)定輪緣與泵體之間的間隙為0mm。泵段入口采用速度進(jìn)口條件,出口采用第二類邊界條件?/?n=0,即,除了壓力外其他的流動(dòng)變量沿出口截面的法向梯度為零。固壁面采用無(wú)滑移壁面邊界條件,近壁區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。葉輪和導(dǎo)葉表面計(jì)算網(wǎng)格如圖2所示。4基于天津臺(tái)的水泵模型試驗(yàn)臺(tái)的比選該模型參加了水利部與國(guó)家質(zhì)檢總局聯(lián)合組織的南水北調(diào)水泵模型天津同臺(tái)測(cè)試,在中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司的南水北調(diào)工程水泵模型試驗(yàn)臺(tái)上按統(tǒng)一鑒定標(biāo)準(zhǔn)和鑒定精度進(jìn)行試驗(yàn),該試驗(yàn)臺(tái)的泵效率測(cè)量的綜合誤差小于±0.3%,居國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平,該模型的編號(hào)為TJ04-ZL-06,對(duì)比分析以天津同臺(tái)測(cè)試的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。4.1軸流泵模型對(duì)比表1為TJ04-ZL-06模型與國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用的比轉(zhuǎn)速為1000的ZBM791-1000模型最優(yōu)工況參數(shù)的比較,從表中可以看出,TJ04-ZL-06模型比ZBM791-1000模型的最高效率高1.85%,各角度平均效率高2.04%。圖3為軸流泵模型性能曲線,CFD計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值基本吻合,表明所采用的數(shù)值模擬方法是正確和可行的。在CFD計(jì)算中,由于未考慮容積損失和機(jī)械損失,造成CFD模擬值與試驗(yàn)曲線的不同。CFD模擬和試驗(yàn)均表明最高效率點(diǎn)在Q=377L/s的工況點(diǎn)附近,并且在(0.9～1.1)Q的工況點(diǎn)范圍,泵效率均在80%以上。4.2葉輪表面總壓分布選擇流量Q1=351L/s(Q1=0.9Q2)、Q2=377L/s(最優(yōu)工況),Q3=418L/s(Q3=1.1Q2)三個(gè)工況點(diǎn),觀察葉輪葉片工作面(壓力面)和背面(吸力面)的速度和壓力分布情況。圖4為不同流量條件下葉輪葉片表面相對(duì)速度的矢量圖。如圖,在大流量工況,葉片工作面和背面的相對(duì)速度基本上按圓柱面分布;隨著流量減小,葉片背面相對(duì)流動(dòng)逐漸從靠近輪轂處出口邊附近分離。圖5是3個(gè)工況下葉輪葉片表面總壓分布等值線。葉片背面的靜壓等值線分布較均勻,3個(gè)工況點(diǎn)的最低壓力值均出現(xiàn)在背面,距進(jìn)水邊約1/4處的中間區(qū)域。圖6為最優(yōu)工況(Q2=377L/s)下的葉輪葉片翼型剖面的總壓分布情況。翼型剖面的半徑分別為65mm,105mm和145mm。從輪緣到輪轂,等壓線越來(lái)越密,壓力梯度越來(lái)越大。結(jié)合圖5葉片表面的總壓分布,發(fā)現(xiàn)從輪轂到輪緣,工作面和背面的壓差逐漸增加,表明葉片做功能力是沿徑向增加的,水力模型設(shè)計(jì)時(shí),須格外關(guān)注葉輪輪緣處的設(shè)計(jì)參數(shù)。通過(guò)觀察導(dǎo)葉出口的圓周分速度,發(fā)現(xiàn)圓周分速度靠近管壁處達(dá)到最大值,隨著流量的增大,圓周分速度減小。三個(gè)工況下,葉輪出口的最大圓周分速度約為9.1m/s,導(dǎo)葉出口的最大圓周分速度約為0.51m/s,表明導(dǎo)葉起到了消除旋轉(zhuǎn)、回收部分動(dòng)能的作用。5應(yīng)用cfd技術(shù)進(jìn)行的性能曲線(1)流線法設(shè)計(jì)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的升力法和圓弧法的不足,對(duì)葉輪葉片環(huán)量進(jìn)行線性修正,增加輪緣側(cè)環(huán)量,相應(yīng)減小輪轂側(cè)環(huán)量。沖角采用從輪轂到輪緣增加的方式選擇,取為0°～3°,比轉(zhuǎn)速大,沖角取小值。采用流線法設(shè)計(jì)的軸流泵水力模型在水利部南水北調(diào)水泵模型天津同臺(tái)測(cè)試中,顯示出了效率高、高效區(qū)寬廣的優(yōu)點(diǎn),并且已經(jīng)在南水北調(diào)東線一期工程中的江都四站、萬(wàn)年閘站、臺(tái)兒莊站和劉山站等4座泵站中得到了應(yīng)用;(2)應(yīng)用CFD技術(shù),數(shù)值模擬的性能曲線與同臺(tái)測(cè)試的試驗(yàn)結(jié)果性能曲線基本吻合,并且在0.9～1.1倍最優(yōu)工況點(diǎn)流量的工況范圍,