高溫高壓屏蔽電泵靜態(tài)阻力系數(shù)模擬與試驗分析

杜洪偉，何蘭香

(佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

0 引言

屏蔽電泵作為一種低噪聲、完全無泄漏泵，在核電和化工領(lǐng)域應(yīng)用極其廣泛。高溫高壓屏蔽電泵是屏蔽電泵的一種特殊產(chǎn)品，設(shè)計溫度350℃，設(shè)計壓力21MPa 以上。泵部分由泵體、導(dǎo)葉、葉輪組成。為了提高泵的水力效率，改善泵的性能，需要相應(yīng)的減小泵內(nèi)的水力損失。高溫高壓屏蔽電泵內(nèi)液體流動復(fù)雜，本文以75-75-160扭曲葉片式高溫高壓屏蔽泵進(jìn)行三維流場阻力系數(shù)模擬與試驗進(jìn)行對比分析。

1 基本理論

基本方程是計算機(jī)模擬計算流動特性的基本理論和出發(fā)點。高溫高壓屏蔽電泵的流動遵守質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒定律，其內(nèi)部流動是三維、粘性、非定常的極其復(fù)雜的流動。

1.1 流動控制方程

假定該泵運(yùn)轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)速恒定，流動控制方程為笛卡兒坐標(biāo)系下的Reynolds 時均Navier-Stockes方程，具體形式如下。

連續(xù)方程為

式中，u、μt—層流和紊流粘性系數(shù)，可以看出在Boussinesq 假設(shè)中μt被假定為各向同性;k—紊流動能;δij—Kronecker 算子。μt和k 通過求解紊流模型方程得到。

1.2 湍流模型

采用在工程應(yīng)用中最為廣泛的兩方程模型，最基本的兩方程模型是標(biāo)準(zhǔn)的k-ε 模型進(jìn)行計算，即分別引入了k 湍動能和湍動能耗散率ε 的方程。其方程具體形式如下

2 靜態(tài)阻力系數(shù)模擬方法

2.1 計算區(qū)域

設(shè)計工況下泵的運(yùn)行參數(shù)見表1。

表1 泵的運(yùn)行參數(shù)表

計算區(qū)域包括葉輪、導(dǎo)葉和泵體的全部流道。本文采用Solidworks 三維軟件建模，通過該軟件中的布爾運(yùn)算，得到全流道實體模型如圖1 所示。

圖1 全流道三維模型圖

2.2 網(wǎng)格劃分

將水力模型以.stl 格式導(dǎo)入PumpLinx，由于計算流體域復(fù)雜，分別對葉輪、蝸殼(包括導(dǎo)葉)和入口段進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用專有的幾何等角自適應(yīng)二元樹(geometry Conformal Adaptative Binarytree)算法，即CAB 算法，在由封閉表面構(gòu)成的體域生成迪卡爾六面體網(wǎng)格。在靠近幾何邊界，CAB 自動調(diào)整網(wǎng)格來適應(yīng)幾何曲面和幾何邊界線。利用最小的網(wǎng)格分辨細(xì)節(jié)特征的方法，對旋轉(zhuǎn)部件(葉輪)表面進(jìn)行了局部網(wǎng)格加密，總體網(wǎng)格劃分見圖2 所示。

圖2 流道網(wǎng)格劃分模型圖

2.3 計算方法

進(jìn)口邊界條件采用總壓進(jìn)口，假設(shè)在進(jìn)口截面上壓力均勻分布，通過調(diào)節(jié)進(jìn)口總壓來控制泵內(nèi)部汽蝕發(fā)生的程度;出口條件給定出口流量;壁面粗糙度設(shè)置為10μm;湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型;在葉輪、蝸殼和入口之間設(shè)置交互面，收斂精度設(shè)置為1×10-3，進(jìn)口處水的體積分?jǐn)?shù)設(shè)置為1，氣體體積分?jǐn)?shù)設(shè)置為0;計算格式:速度一、二階混合迎風(fēng)格式，其他方程采用一階迎風(fēng)格式。本文主要通過PumpLinx 軟件模擬泵運(yùn)轉(zhuǎn)時的三維流場情況。

2.4 靜態(tài)阻力系數(shù)計算公式

阻力系數(shù)的公式

式中，ΔP—泵進(jìn)出口的壓差，MPa;ρ—密度，kg/m3;v—出口流速，m/s;Q—流量，m3/h;D2—泵出口直徑，設(shè)計值0.075m;ξ—阻力系數(shù);Re—雷諾數(shù);ν—介質(zhì)粘度，m2/s，ν水=1×10-6m2/s。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 計算收斂結(jié)果

計算結(jié)果中流速、壓力、湍流動能、湍流耗散率和蒸汽質(zhì)量分?jǐn)?shù)均具有良好的收斂性，并且收斂精度小于10-4。

3.2 內(nèi)部流動的特性圖

決定內(nèi)部流動特性的主要因素是壓力和速度，因此本文僅以靜態(tài)阻力系數(shù)模擬過程中額定流量點40m3/h 為例，模擬得出相應(yīng)的總壓、速度流線分布(詳見圖3 和圖4)。

圖3 總壓流線圖

圖4 速度流線圖

由圖3 可見，水力模型在葉輪出口處與導(dǎo)葉進(jìn)口處壓力變化較大，并且導(dǎo)葉出口處與泵體內(nèi)腔銜接處變化突出;由圖4 可見葉輪出口處與導(dǎo)葉進(jìn)口處速度驟變，其他流體區(qū)域速度變化相對均勻。以上兩圖可直觀看出，葉輪出口與導(dǎo)葉入口處流場變化較大，效率損失嚴(yán)重，在后續(xù)的改進(jìn)設(shè)計中應(yīng)重點考慮葉輪與導(dǎo)葉的匹配設(shè)計，從而提高水力模型效率。

4 阻力系數(shù)計算結(jié)果

根據(jù)上述模擬得出不同流量點的出、入口壓差(即揚(yáng)程)，計算靜態(tài)阻力系數(shù)，參數(shù)見表2。通過計算結(jié)果繪制流量、雷諾數(shù)與阻力系數(shù)曲線見圖5、圖6。

表2 阻力系數(shù)表(計算值)

圖5 流量-阻力系數(shù)曲線圖(計算值)

圖6 雷諾數(shù)-阻力系數(shù)曲線圖(計算值)

5 阻力系數(shù)試驗結(jié)果

對75-75-160 模型泵進(jìn)行阻力特性試驗，在電機(jī)不供電的冷態(tài)停車狀態(tài)下，電泵過流流量為正向(從進(jìn)口到出口)，測定水力部件過流流量與泵進(jìn)出口壓差(水頭損失)的關(guān)系，最終計算電泵在不同流量下的阻力系數(shù)。通過試驗得到的結(jié)果見表3，并繪制流量、雷諾數(shù)與阻力系數(shù)曲線見圖7、圖8。

表3 阻力系數(shù)表(試驗值)

圖7 流量-阻力系數(shù)曲線圖(試驗值)

圖8 雷諾數(shù)-阻力系數(shù)曲線圖(試驗值)

6 結(jié)語

本文所建立的水力模型是完全按照圖紙設(shè)計的，但在實際生產(chǎn)過程中水力部件的加工(如鑄造、鍛壓、車削等)對水力性能都會有一定的影響。因此，模擬的結(jié)果是理想狀態(tài)下水力模型內(nèi)部流場反映的靜態(tài)阻力和阻力系數(shù)的大小及變化趨勢。本次計算的理論計算值和試驗數(shù)據(jù)相差不大，變化趨勢相似，模擬的結(jié)果是合理的。采用PumpLinx 軟件，基于Reynolds 時均N-S 方程和RNG k-ε 湍流模型，進(jìn)行三維流場數(shù)值模擬，分析流體在離心泵內(nèi)的速度和壓力分布，揭示其內(nèi)部的流動規(guī)律，為產(chǎn)品的設(shè)計或改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計提供重要依據(jù)。改善離心泵的水力性能，提高效率是離心泵優(yōu)化設(shè)計的重要研究內(nèi)容。通過對比模擬結(jié)果與試驗結(jié)果，流場分析結(jié)果可以有效預(yù)測性能變化趨勢，利用三維流場分析可以替代那些不可能實現(xiàn)的或者實現(xiàn)起來相當(dāng)復(fù)雜或費(fèi)時費(fèi)力的試驗，不僅節(jié)約試驗費(fèi)用，節(jié)約時間，而且可以定性地分析內(nèi)部流場的變化規(guī)律。

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