基于单流道和结构网格的湿式潜水泵数值模拟

李　松,　蔡　翔,　朱路飞,　周邵萍

(华东理工大学承压系统与安全教育部重点实验室,上海 200237)



基于单流道和结构网格的湿式潜水泵数值模拟

李松,蔡翔,朱路飞,周邵萍

(华东理工大学承压系统与安全教育部重点实验室,上海 200237)

采用流场模拟软件ANSYS-CFX对BQ1100-425型湿式潜水泵进行数值模拟,在完成网格无关性验证的基础上,分别研究了全流道与单流道模型,结构网格与非结构网格模型的数值模拟结果,如压力、速度等内流场和扬程、效率等外特性。结果表明:全流道数值模拟相比于单流道能更准确地反映真实流场的流动情况,但计算时间较长,计算效率低。单流道数值模拟在一定范围内能较好地反映真实流场的运行情况,且计算时间较短。结构网格与非结构网格都能准确反映实际流场的运行变化情况,但结构网格计算准确性更高,计算时间短,效率高。鉴于湿式潜水泵结构的复杂性,基于单流道结构网格的数值模拟方法能有效地模拟内流场并进行扬程、效率等性能预测。

离心泵; 全流道; 单流道; 结构网格; 非结构网格

随着计算机技术的发展,数值模拟作为对泵结构性能研究的有效手段得到广泛应用。在数值模拟过程中,网格是其基础与载体,其质量的好坏对模拟结果准确性有重要影响,不同网格类型对其计算结果影响也较大[1-2]。刘厚林等[3]在节点数基本相同的条件下,对同一台离心泵的结构网格、非结构网格和混合网格模型进行数值模拟,结果显示三种网格结构都能较好地表现实际的流场运行情况,且结果相差不大。数值模拟有两种方式,目前应用较为广泛的是全流道数值模拟[3-5],其技术也较成熟,Abdelmadjid等[6]基于VOF空化模型对泵内全流道的三维空化湍流现象进行模拟,研究叶轮叶片的进口角与离心泵的空化性能的关系,结果显示了动静结合面对流体不稳定运行特性的影响,且与实验结果吻合很好。另一种数值模拟方式是单流道模拟,离心泵等旋转机械由于其流道结构具有周期对称性,可采用单流道模型模拟全流道结构并对其性能进行研究。栾享宣等[7]对旋式通风机分别进行了全流道与单流道的模拟对比,发现单流道的数值模拟也能较好地显示流场的运动情况。总的来说,目前鲜有对单流道泵方面的研究。由于单流道模型只需要计算整个流道的一部分,可以大大提高计算机运算速率,工作效率高,因此,研究湿式潜水泵单流道模拟准确性具有现实价值。

本文以BQ1100-425型湿式潜水泵为研究对象,在完成建模及网格无关性验证的基础上,对其数值模拟结果进行分析研究,分别对比了全流道与单流道模型,结构网格与非结构网格模型的数值模拟结果。

1　几何建模与网格划分

1.1计算模型

本文研究对象为BQ1100-425型湿式潜水泵,其主要设计性能参数和结构参数如表1所示。该泵结构主要由叶轮、吸水室、导叶、过渡体和压水室等单元组成,其全流道与单流道模型分别见图1、图2所示。

表1　计算模型的主要性能和结构参数

图1　湿式潜水泵全流道模型Fig.1　Full passage of the wet submersible pump

1—Pressurized water chamber;2—Front suction chamber;3,4,11—Diffusion tube;5,17—Primary impeller;6,9,13,15—Front guide vane;7,10,12,16—Back guide vane;8,14—Secondary impeller;18—Back suction chamber

图2湿式潜水泵单流道模型

Fig.2Signal passage of the wet submersible pump

1.2网格划分与无关性验证

数值模拟计算运行速度与结果准确性很大程度上取决于网格质量的好坏,为控制网格数量,通过对比设计工况下不同网格数模型模拟得到的扬程与效率,当模拟计算得到的扬程与效率相对变化不大于2%时,即可以确认网格的无关性,不同网格数下的模拟结果见表2。

由表2可以看出,当网格数不低于3.935×106时,其模拟扬程与效率均在误差可接受范围内,所以当网格数量在4×106左右时所得到的数值解基本与网格数量无关,选取编号为2的网格是合适的。

1.3湍流模型

SST湍流模型全称为 Shear Stress Transport,由Menter提出[8],该模型克服了标准k-ω模型对自由来流参数变化敏感的缺点,在近壁面附近采用k-ω模型,在远离壁面的流场区域采用k-ε模型; 充分利用了k-ω模型对逆压梯度流动模拟精度较高和k-ε模型对湍流初始参数不敏感的优点。SST模型综合了k-ω模型和k-ε模型的优点,不仅能够对各种来流进行准确预测,还可以在各种压力梯度下精确地模拟分离现象,因此本文选用这一模型进行流场模拟。

表2　网格无关性验证结果

SST湍流模型方程为

(1)

(2)

其中涡黏性vt的表达式为

(3)

(4)

(5)

雷诺应力表达式为

(6)

比耗散率的生成项近似表达式为

(7)

1.4模拟条件设定

本文所研究的湿式潜水泵含两个进口和一个出口,由不同进口流入的流体汇流经压水室排出。为了更真实地反映流场的变化情况,对叶轮及导叶的进、出口角,表面几何尺寸变化较大的部位进行适当的网格加密,并设置边界层。

进口条件:为使由两个进口与出口分别计算的扬程相等,采用压力进口边界条件,压力值由实际实验时的大气压值与没入水中的深度共同计算得到,湍流系数选择软件中的中等密度5%计算[9]。

出口条件:采用速度出口,假设其流体均匀排出,且速度方向垂直于出口,速度大小由流量与出口面积计算得到。

壁面条件:流动边界采用无滑移固壁条件,对于固壁附近的流体流动采用标准壁面函数法确定。旋转的叶轮区域采用旋转坐标系,静止区域采用静止坐标系,动静区的交界面采用“interface”设定,单流道的周期性边界设置为软件中的“Rotational Periodicity”。

2　单流道模拟的可行性研究

2.1流场分析

分别建立湿式泵的全流道与单流道模型,划分非结构网格,两种模型在进行网格划分时,采用相同的全局尺寸控制,以及边界层与区域加密等处理方式。在设计工况下进行数值模拟,为方便对比,同时列出全流道与单流道模型叶轮上的压力与流线分布,如图3和图4所示。

从图中叶轮上的压力与流速分布可以看到:总的来说,全流道与单流道模型叶轮上的压力与流速分布数值与变化趋势相同。压力在叶片边缘处较大,随着直径减小压力逐渐递减,叶片尖端处压力呈现突变现象。流速分布也从外向内逐渐递减,叶片工作面的流速较大,向非工作面呈现递减趋势,且在非工作面附近流线呈现紊乱状态。但全流道模型叶轮上压力与流速并不是完全周期对称,其中,首级叶轮边缘有3处压力呈现局部较大的三角分布,4个叶片压力分布并不完全相同,非工作面上流速分布也有较大区别,大致呈现流线紊乱逐渐增大的分布现象,首级叶轮有1处漩涡现象较明显,次级叶轮4个叶片上也有漩涡的趋势,而单流道模型的首级叶轮无明显漩涡现象,次级叶轮上的漩涡现象也较弱。可以看出,叶轮虽然在结构上具有周期对称性,但其内部的流场变化情况并不是完全周期对称,它会受到相连区域之间“溢流”、作用力等影响,具有一定的差异性。总体上全流道叶片上压力与流速分布差异性不大,在叶轮高压区,全流道与单流道压力分布趋势分析结果对应较好。由此可以看出在单流道模型中流体的分布与全流道有一定区别,但也能较好地反映实际流场运行情况。

2.2性能分析

图5、图6分别示出了全流道与单流道实验值与模拟值得到的扬程与效率性能曲线(点表示5个工况下的实验或模拟值,曲线是相应的拟合曲线),泵水力性能试验数据由合肥恒大泵业有限公司提供。

图3　叶轮压力分布Fig.3　Pressure on the impellers

图4　叶轮流线分布Fig.4　Streamline on the impellers

图5　扬程对比Fig.5　Comparison of head-flow curve

图6　效率对比Fig.6　Comparison of efficiency-flow curve

由图5、图6可以看出,全流道模拟结果与实验变化趋势相同,且得到的扬程与效率相比于实验值有少许偏高,这是由于数值模拟没有考虑摩擦等实际损失,与实际情况相符合。单流道模拟精确性相比于全流道较差,而且模拟值的准确范围相对也较窄。以最佳工况点为中心的一定范围内,模拟的准确性较高,能比较方便地反映流场的变化情况,但偏离最佳工况点较大时其模拟误差较大。其原因一是由于流场运行时流体分布状态并不是完全周期性对称的,不同叶片之间流体存在状态也有少许区别;二是由于相连单流道之间会产生相互作用,这对泵的运行性能也会产生一定的影响,因此造成单流道的计算误差。

3　结构网格与非结构网格的模拟性能

本节以单流道模型为载体对比结构网格与非结构网格模型对泵流场模拟结果的准确性。在对模型进行结构网格划分时,采用与非结构网格相同的总体尺寸控制值,边界层等也采用相同处理。湿式潜水泵单流道网格模型如图7所示。

图7　湿式潜水泵单流道网格模型Fig.7　Single model of wet submersible pump

3.1结构网格的无关性验证

对比结构网格模型在不同网格数设定工况下模拟得到的扬程与效率,结果如表3所示。

表3　网格无关性验证结果

由表3可知,当网格数量分别为3.303×106和4.765×106时,扬程与效率的相对误差均低于2%,所以当网格数取3.303×106时是合适的。

3.2性能分析

分别模拟相应流量下单流道结构网格与非结构网格下实验值与模拟值的流场情况,得到其外特性性能曲线结果分别如图8和图9所示。

图8　扬程对比Fig.8　Comparison of head-flow curve

由图8～图9可知,单流道的结构网格模拟得到的扬程与效率与实验值很接近,且变化更为均匀,扬程与效率平均误差分别为1.37%与0.54%,非结构网格也能较好反映实际流场变化情况,但相比于结构网格其准确性较低,扬程与效率误差分别为1.44%与2.72%,可见结构网格相对于非结构网格,其模拟准确性要高,但结果相差不大。

图9　效率对比Fig.9　Comparison of efficiency-flow curve

3.3流场分析

对比设定工况下结构网格与非结构网格叶轮上的压力与流线分布,结果如图10和图11所示。

由图10～图11可以看出,在相同设定条件下,结构网格与非结构网格单流道模型模拟得到的叶轮上压力与流速分布变化趋势大体上相同。压力较高区域都在靠近叶片边缘与尖角处,由叶片边缘往内逐渐递减,二者流速数值相差不大,较大区域都集中在叶片前端尖角处,工作面往内流速分布都较大,且流线分布较均匀,非工作面上流速较小,流线分布都较紊乱。但结构网格与非结构网格的差异也较明显。在压力方面,结构网格两级叶轮之间压力降更大,次级叶轮压力值也较非结构网格大,结构网格压力分层明显。在流速方面,结构网格叶片漩涡现象表现明显,在次级叶轮上已经出现漩涡,且由于漩涡的影响,结构网格最大流速在工作面附近,非结构网格非工作面附近流线分布较紊乱,但没有出现明显的漩涡现象,最大流速则在非工作面尖角处。相比于结构网格,非结构网格尺寸难以控制,网格形状与数据结构上的不同,也使得结构网格与非结构网格在数值模拟上存在一定的差异性,结构网格更适用于流体与表面应力集中计算的情况。

图10　叶轮压力分布Fig.10　Pressure on the impellers

图11　叶轮流线分布Fig.11　Streamline on the impellers

4　结　论

(1) 全流道数值模拟能准确反映真实流场的流动情况,不过其计算域大,所需时间较长,计算效率低。单流道数值模拟在一定范围内能较好地反映真实流场的流动情况,其计算结果虽不及全流道精确,但其计算时间短。鉴于目前泵结构的复杂性,单流道数值模拟方法在工程实际操作过程中对预测流场变化趋势较为准确,具有可行性。

(2) 结构网格与非结构网格都能准确反映实际流场的运行变化情况,但结构网格计算准确性更高,且在计算过程中由于网格分布更为规范,其计算时间更短,能有效提高工作效率。鉴于结构网格生成比较复杂,在条件允许情况下,采用结构网格对流场进行数值模拟研究能得到更为准确的结果。

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Numerical Simulation of Wet Submersible Pump Based onthe Single Passage and Structured Grid

LI Song,CAI Xiang,ZHU Lu-fei,ZHOU Shao-ping

(Key Laboratory of Pressurized Systems and Safety,Ministry of Education,East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,China)

In this paper,the flow field of the wet submersible pump (BQ1100-425) was simulated by ANSYS-CFX,while the grid independence was validated.The numerical simulation results of full passage,single passage,structured grid and unstructured grid were studied respectively,such as the head,efficiency,the pressure and the streamline on the impellers.The results of full passage were more accurate compared with the signal passage,but its calculation time was longer.The signal passage could reflect the flow field characteristics well and its calculation time was shorter.The simulation results of structured grid and unstructured grid were accurate while the precision of the former was better and its calculation time was shorter.While the structure of the wet submersible pump is complex,it is feasible to study its flow field by the signal passage and structured grid modal.

centrifugal pump; full passage; single passage; structured grid; unstructured grid

1006-3080(2016)04-0580-07

10.14135/j.cnki.1006-3080.2016.04.021

2016-01-28

国家科技支撑计划(2013BAF01B01)

李松(1990-),男,湖北孝感人,硕士生,主要从事流体机械的数值模拟与结构优化。E-mail:songliecust@163.com

通信联系人：周邵萍,E-mail:shpzhou@ecust.edu.cn

TH311

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