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离心油泵的CFD数值模拟
作者:管理员    发布于:2018-03-23 14:02:32    文字:【】【】【

  0前言近年来,随着计算机速度的提高、计算方法和网格技术的发展,用数值模拟方法研究离心泵内过流部件流场已成为改进和优化离心泵叶轮和其他过流部件设计的重要手段。研究方法从早期的二维势流转向二维、三维的粘性流体目前许多学者对离心泵过流部件的三维流动进行了数值研究:卜习。

  利用数值计算的方法研究离心泵性能,不但能够解决实际应用研究中存在的技术问题,还能够和理论研究相辅相成,且能够降低实验研究的费用,是提高泵效率经济有效的方法。

  只对各个过流部件进行单独分析,而不考虑过流部件间的匹配关系,CFD分析结果必然与实际流动存在较大差别,也无法真实的模拟离心泵内流的三维特性。笔者对一种高速离心油泵的内部流动规律进行了研究,数值模拟了从进口到出口的整个流场,并对计算结果进行了分析,为深入了解叶轮内部流动规律提供了依据。

  1计算模型及边界条件1.1控制方程离心泵内流计算所用方程为N-S方程及其简化形式为主的方程组。由于直接求解N-S方程目前尚不可能,所以只得求解简化的N-S方程。文中的数值计算是基于不可压流体的Reynolds平均动量方程和连续性方程,表示如下:连续性方程:动量方程:3)为时均速度;P为密度;为压力;为动力粘性系数;一Pu/u(/,=1,23)为Reynolds应力。

  根据Boussinesq假设,Reynolds应力模型为:认的迭代参数。

  进口条件:在流道入口给定速度值,且假定速度方向垂直于进口截面;出口条件:计算域的出口边界上假定流动为充分发展的流动,即出口速度分布的法向导数为零;固壁条件:采用无滑移边界条件,临近固壁的区域采用标准壁面函数处理。

  计算对象是以用于飞机供油系统的高速离心油泵为例,它具有体积小、扬程高的特点。泵体是由吸入室、叶轮、蜗壳组成。叶轮有5个叶片,蜗壳为单蜗壳形式。

  离心油泵的设计转速为6 400r/min,设计流量为1.1m3/h,设计扬程为15.50m,效率为55、总压图和相对速度矢量图发现:叶轮中出现两处明显的回流,见局部放大图,位于叶轮流道出口处和蜗壳的结合处,这是因为随着叶轮旋转,蜗壳中压力增大,当蜗壳中压力大于叶轮流道出口处的压力时回流就产生了。本离心泵数值计算结果为,扬程为23. 07m,效率为57.08达到了设计要求。

  针对全流道叶轮的CFD数值模拟,不仅可以获得泵的压力和速度的流场分布,而且可以得到叶轮的外特性。笔者还对该离心泵进行了大流量工况和小流量工况的数值计算,由于篇幅的限制,现在直接给出全流道叶轮的效率-流量特性曲线和扬程-流量特性曲线。离心油泵外特性曲线如所4结论对高速离心油泵的全流道叶轮内部流动进行了基于Reynolds时均方程、标准湍流模型的三维全流道湍流计算。结果表明,全流道计算可以很好地模拟全流道叶轮内部的复杂流动(尤其是吸入室和蜗壳对叶轮进出口流动)的影响。计算还得到了叶轮内部不同位置的静压、总压分布图和速度矢量图,对其分布规律和产生原因及对流动的影响作出了分析,给出了泵的夕卜特性曲线:扬程流量特性曲线、功率-流量特性曲线等。在设计阶段使用数值模拟可以得到各部件的水利性能预估,从而可以减少甚至避免模拟试验,大大缩短设计周期和降低成本,计算结果有助于离心泵的理论研究和辅助离心泵的优化设计。

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