轴流泵全流道数值模拟前处理过程分析

施高萍

(浙江水利水电专科学校,浙江 杭州 310018)

0 引 言

轴流泵由于扬程低、流量大,在浙江省大中型泵站中被广泛使用.按单座泵站统计,浙江省5座大型泵站,45座中型泵站中,轴流泵数量占水泵总数的2/3左右,以立式半调节为主,型号为ZLB,出水口直径主要为700 mm、900 mm[1].2009年浙江省启动了大中型泵站更新改造工作,故对轴流泵内部流动的分析与研究就显得尤为重要.

轴流泵内部的真实流动非常复杂,在绝大多数情况下,它是三维非定常湍流,常伴有分离、二次流、汽蚀和叶尖泄露等流动现象.由于实验装置和设备的限制,利用传统的实验方法不能很好掌握轴流泵内部的流动的真实情况.近年来,随着计算机技术的发展,使用Computational Fluid Dynamics(CFD)技术成为分析轴流泵内部流动的一种有效手段.为明确轴流泵内部湍流场分布情况,需要对轴流泵进行数值模拟,数值模拟过程及所需要采用的软件见图1[2-3].本文主要阐述在数值计算之前所需要做的工作,即全流道的三维造型及网格划分两部分内容.

图1 数值模拟过程

1 轴流泵全流道三维造型

三维实体模型是水力设计和轴流泵CFD之间的桥梁,一方面体现水力设计的结果,另一方面也是CFD研究的基础.轴流泵叶片表面一般是扭曲的,叶片的形状几乎决定了整个轴流泵的水力性能.因此,三维实体造型必须严格依据水力设计的结果得到,尤其是叶片造型,否则的话,数值模拟得到的结果就很难具有说服力.

本文所研究的轴流泵模型是900ZLB-85,该轴流泵的基本参数为：叶轮直径：850 mm,叶片数：4片,导叶数：7片.泵的设计点流量 Q=2 m3/s,扬程H=5.4 m,转速 n=485 r/min.

1.1 叶轮的三维造型

1.1.1 叶轮轮毂体造型

叶轮轮毂体一般是轴对称的回转体,从特征造型的角度来看,属于隆起特征中的旋转特征.旋转特征是由特征截面绕截面旋转中心线旋转一定的角度而生成的一类特征.该部分建模的关键是特征截面绘制.为保证造型的准确性,绘制截面时由AutoCAD直接导入.

1.1.2 叶轮叶片造型

叶片造型是轴流泵叶轮造型的难点.一方面它是轴流泵的核心,与泵的扬程、流量、抗汽蚀系数和特性曲线的形状等有着重要关系;另一方面,其形状复杂,难以进行三维精确描述,给设计结果的分析造成了障碍[4].

图2(a)为叶片正面投影图,(b)为叶片翼型图.为了获得叶片的三维实体造型,需要将这些翼型图还原为三维空间曲线,再根据这些空间曲线混成得到叶片的正背面,同时生成叶片和轮毂的交界面、叶片的轮缘面,最后由叶片的各个表面围成叶片实体.

(1)创建空间曲线：由图2(a)可得到叶片各个截面的R坐标和theta坐标,由图2(b)得到叶片V截面工作面和背面的 Z坐标,其他截面类似,明确坐标点后,建立坐标点文件.

V截面叶片工作面的点文件为在背面的点文件的Z坐标上增加其厚度即可.其它截面都可如V截面一样做出背面上的点和工作面上的点.这样当所有截面都完成后,可由点连成线,形成空间曲线,见图3(a).

(2)创建叶片工作面和背面：Pro/E中利用“融合”命令,按照从轮毂到轮缘或者完全相反的次序依次选择特征曲线,生成叶片的工作面和背面,见图3(b).

(3)创建轮毂面和轮缘面：上述创建的特征曲线所在的柱面的半径大小都介于轮毂半径R153和轮缘半径SR425之间,所得到的叶片是不完整的.利用面的延伸,使叶片的正背面延展,分别得到轮毂面和轮缘面,见图3(c).

图2 轴流泵叶轮叶片图

图3 叶轮叶片建模过程

(4)得到叶片实体：将叶片正面、背面、轮缘面和轮毂面进行合并,并实体化,得到叶片实体模型见图4.

1.2 导叶体三维造型

导叶体叶片的三维造型过程跟叶轮叶片的三维造型过程一样,叶轮和导叶的造型结果见图4.

图4 叶轮和导叶的造型结果

在Pro/E中采用组件装配环境,利用元件间的切减命令进行流道的三维造型,其造型结果见图5.

图5 900ZLB-85三维造型结果

2 Gambit网格处理

在进行数值模拟前,须进行前处理,即网格划分、网格检查,和边界定义,在GAMBIT软件中可完成这部分工作.

2.1 网格划分

为了使计算结果更精确,对整个流道进行了模拟,其全流道的网格划分结果和计算区域结果见图6.由于在全流道内既有旋转流场,又有非旋转流场,所以把计算体分为进口区、叶轮区和导叶区三个区域,分别将模型轴流泵进口区、叶轮区和导叶区网格导入Gambit软件,处理后导入Fluent软件进行计算,两个计算体之间的耦合采用滑移网格方法,进口区与叶轮区、叶轮区和导叶区都分别用平面混合(mixing plane)来模拟它们之间的干涉.平面混合是将每一个流动区域都按照稳态问题来解决,在一次迭代间隔里,在交界面上的流动数据会被沿周向平均.FLUENT使用周向平均来定义大致的流动特性,通过平面混合,周向平均值在各流动体之间相互传递.鉴于叶片表面和导叶表面为不规则的空间曲面结构,因此采用非结构网格,在计算体体内采用四面体网格,壁面上采用三角形网格.

图6 网格划分

2.2 边界条件设定

边界条件的设置主要给定进口、出口、壁面及交界面等边界条件,设置见图6,其中1设置为进口,2设置为叶轮外流道壁面,3设置为叶轮叶片,4设置为导叶叶片,5设置为导叶体壁面,6设置为导叶体外壁面及出口壁面,7设置为出口.

通过以上设置,经过FLUENT软件计算分析,全流道运动轨迹见图7,计算结果表明模型建立是正确的.

3 结 语

(1)进行了全流道的三维造型.包括叶轮叶片,导叶叶片,以及由叶轮和导叶构成的流道的三维全流道的三维造型;

(2)进行了全流道的网格划分和边界条件的设置.进口采用速度进口,出口为压力出口,导叶体和叶轮为旋转部件,在设置过程中采用动坐标系,进口与出口段采用静坐标系;

图7 全流道运动轨迹图

(3)为数值模拟奠定了基础.通过以上设置,成功导出的msh文件可以进行数值模拟.

[1]施高萍,王 莺,崔梁萍.轴流泵在浙江省大中型泵站中的应用及改造建议[J].浙江水利水电专科学校学报,2009,21(4)：19-21.

[2]陆广林,伍 杰,陈阿萍,等.立式轴流泵装置的三维湍流流动数值模拟[J].排灌机械,2007,25(1)：29-32.

[3]杨军虎,张炜,王春龙,等.潜水轴流泵全流道三维湍流数值模拟及性能预估[J].排灌机械,2006,24(4)：5-9.

[4]陈 田,殷国甯,舒 斌,等.基于三维特征建模的叶片泵CAD系统研制[J].计算机集成制造系统——CIMS,2001,7(2)：59-64.