矩形迷宮泵內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究

馬慶勇++張奇志++張林

[摘 要]結(jié)合矩形迷宮螺旋泵的流動(dòng)特點(diǎn)，采用雷諾平均N-S方程和RNG湍流模型，對(duì)矩形迷宮泵內(nèi)三維流場(chǎng)進(jìn)行模擬，分析其轉(zhuǎn)子、定子面的流動(dòng)情況和壓力狀態(tài)，從而得到其內(nèi)部流動(dòng)的主要特征和外特性。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，分析預(yù)測(cè)值和試驗(yàn)值得區(qū)別。從而為矩形迷宮泵設(shè)計(jì)、改進(jìn)、優(yōu)化提供有益補(bǔ)充。

[關(guān)鍵詞]迷宮泵 ，數(shù)值計(jì)算，性能預(yù)測(cè)，內(nèi)部流動(dòng)

中圖分類號(hào)：TF762.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）17-0017-02

1.引言

迷宮螺旋泵是一種非接觸性的動(dòng)力泵[1]-[3]，也是一種小流量、高揚(yáng)程、低比轉(zhuǎn)速的新型特種泵，其特點(diǎn)是使用安全可靠、壽命長(zhǎng)。使用中可獲得較低的比轉(zhuǎn)速ns（ns《20）的穩(wěn)定工況。在輸送含顆粒粘性介質(zhì)、耐腐蝕介質(zhì)和超低流量工況中有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，隨著 我國(guó)現(xiàn)代化工、石油化工工業(yè)的不斷發(fā)展，需要小流量、高揚(yáng)程的場(chǎng)合越來越多，故廣泛應(yīng)用于機(jī)械、化工、石油部門中輸送腐蝕性介質(zhì)或含顆粒的腐蝕性介質(zhì)。迷宮螺旋泵中的螺旋體作為輸送介質(zhì)的做功元件，其螺旋槽截面形狀和幾何參數(shù)的選擇對(duì)泵性能影響較大。一把來說：三角形迷宮泵所獲得揚(yáng)程最高，半圓形迷宮泵的效率最高，而矩形、梯形迷宮泵居于其中。而本文作者采用CFD軟件對(duì)矩形迷宮泵的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其流動(dòng)情況，預(yù)測(cè)其性能特點(diǎn)，并通過試驗(yàn)來驗(yàn)證其模擬結(jié)果。

2 工作原理

迷宮螺旋泵是在迷宮螺旋密封的基礎(chǔ)上演變而來的，它的主要部件是一對(duì)帶有多頭螺紋的轉(zhuǎn)子和定子，但轉(zhuǎn)子和定子上的螺紋旋向相反，且之間留0.1～0.5mm的徑向間隙，此間隙所形成的工作腔體稱為迷宮螺旋體， 當(dāng)轉(zhuǎn)子逆其自身螺旋方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，螺旋槽對(duì)槽中液體作用力一方面推動(dòng)液體克服摩擦力作圓周運(yùn)動(dòng)，另一方面還推動(dòng)液體沿軸向前進(jìn)，這樣液體由粘性而產(chǎn)生的摩擦力作用在槽內(nèi)的液體上，使之產(chǎn)生軸向反壓，轉(zhuǎn)子和定子對(duì)液體的總軸向推力就形成了迷宮螺旋體的泵送壓力，當(dāng)然，高壓側(cè)流體在壓差的作用下，順著轉(zhuǎn)子和定子組成的螺旋槽間隙流動(dòng)，形成壓差流，當(dāng)泵送流大于壓差流時(shí)，就形成了一臺(tái)迷宮螺旋泵[4]。

3.數(shù)值模擬

3.1 設(shè)計(jì)泵基本參數(shù)：

流量，揚(yáng)程H=48m，轉(zhuǎn)速n=2950r/min，ns=15.56，

3.2 螺旋槽主要尺寸

螺旋槽的槽型形狀為矩形螺旋槽，其幾何參數(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)要求計(jì)算確定，其中槽深t=3.0mm，螺棱寬a=1.7mm，螺槽寬b=3.40mm，頭數(shù)z=20，螺旋升角α=65°，螺旋體長(zhǎng)度L=300mm，螺桿與螺套之間的間隙為30mm。

3.3 數(shù)值模擬

3.3.1 控制方程[5]-[7]

數(shù)值模擬采用N-S方程并以湍流模型組成閉合方程組，由于迷宮螺旋泵自身的特點(diǎn)，容易產(chǎn)生回流和二次流。RNG模型在預(yù)測(cè)回流和分流流動(dòng)問題中，獲得了令人滿意的效果，同時(shí)由于迷宮螺旋泵內(nèi)部轉(zhuǎn)子，定子流道的復(fù)雜性，在進(jìn)出口處易產(chǎn)生回流，所以本文采用標(biāo)準(zhǔn)RNG模型。

（1）

（2）

其中：

（3）

—有效粘性系數(shù)

—分子粘性系數(shù)

3.3.2 邊界條件：

由于流量已知，進(jìn)口采用速度進(jìn)口，進(jìn)口壓力取大氣壓。

湍動(dòng)能k，湍動(dòng)能耗散值采用經(jīng)驗(yàn)公式：

（4）

出口采用自由出流（outflow）。

3.3.3 網(wǎng)格劃分

由于螺旋槽尺寸比較小，又是傳動(dòng)的主要主要部件，故要進(jìn)行加密。在網(wǎng)格劃分過程中將整個(gè)計(jì)算區(qū)域分為三個(gè)子區(qū)域：子區(qū)域一：由進(jìn)口與進(jìn)液環(huán)腔組成；子區(qū)域二：出口和出液環(huán)腔部分；子區(qū)域三：中間螺旋腔部分。網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)距離定義為1.5，最終生成網(wǎng)格626584個(gè)。三個(gè)區(qū)域的網(wǎng)格用Tgrid進(jìn)行合并。計(jì)算區(qū)域和計(jì)算網(wǎng)格見圖。

3.4 模擬結(jié)果及分析

本文以清水為流體材料，在轉(zhuǎn)速在和對(duì)矩形迷宮螺旋泵內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了三維湍流數(shù)值模擬計(jì)算，得到了其速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的分布情況。

結(jié)果分析：

（1），圖4中，Y=10mm、Y=160mm、Y=290mm分別表示距離如圖（5）所示的xoz平面軸向距離10mm、160mm、290mm的圓周截面。

（2），由定、轉(zhuǎn)子速度場(chǎng)分布圖可知，在螺旋轉(zhuǎn)子的作用下，使螺旋槽內(nèi)的介質(zhì)獲得能量。隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的流體的速度大于定子區(qū)域的流體速度，說明轉(zhuǎn)子螺旋部分對(duì)泵工作的貢獻(xiàn)比定子螺旋部分大。螺旋轉(zhuǎn)子螺紋腔內(nèi)介質(zhì)在螺紋斜面推力作用下，獲得徑向和周向速度；其速度矢量方向大體沿螺旋升角方向周向旋轉(zhuǎn)前進(jìn)。而在反向的螺旋定子螺紋腔內(nèi)軸向推進(jìn)速度相對(duì)較小，甚至出現(xiàn)反向流動(dòng)，出現(xiàn)液流紊亂。在高速旋轉(zhuǎn)螺旋轉(zhuǎn)子作用下，介質(zhì)有較大的圓周速度并且均勻分布。在螺旋腔內(nèi)，由于壓能的增大，使得越靠近螺旋腔出口處的速度逐漸增大。

（3），由轉(zhuǎn)、定子壓力場(chǎng)分布圖可知，壓力從進(jìn)口到出口沿螺旋槽逐漸升高，在出口處由于能量損失而有明顯衰減。

4 性能預(yù)測(cè)和試驗(yàn)研究

4.1 性能預(yù)測(cè)

根據(jù)CFD分析，在總壓圖中，取進(jìn)口面、出口面若干個(gè)（盡量多）點(diǎn)的總壓值，用最少二乘法離合，求其平均值，作為進(jìn)出口的總壓。所以：

（5）

其中：----出口總壓，----進(jìn)口總壓，----進(jìn)出口位置距，

在fluent軟件中我們可以從菜單下面中直接讀出迷宮泵所受的扭矩T，可計(jì)算出該流量下的效率

（6）

4.2 試驗(yàn)研究，

本試驗(yàn)在湖南省水力機(jī)械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)授權(quán)站試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，以常溫清水為介質(zhì)。采用開始試驗(yàn)臺(tái)。按GB/T3216-2005進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)從零流量開始，到大流量點(diǎn)。均勻取13點(diǎn)，做成迷宮泵性能曲線。

4.3 CFD模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

試驗(yàn)與CFD預(yù)測(cè)特性曲線所示，實(shí)心點(diǎn)構(gòu)成的為通過數(shù)值模擬得到的預(yù)測(cè)曲線，空心點(diǎn)構(gòu)成的為實(shí)際的試驗(yàn)性能曲線。其中，紅色線為曲線，藍(lán)色線為曲線。從預(yù)測(cè)曲線可知：此工況下最優(yōu)工況點(diǎn)為，效率可達(dá)到24%以上，，。從實(shí)測(cè)曲線看出：最優(yōu)工況點(diǎn)也在附近，，效率可接近達(dá)23%，但在設(shè)計(jì)流量處時(shí)，效率為，與設(shè)計(jì)值25%存在一定的差異。從兩者曲線的對(duì)比情況可看出：兩者的變化規(guī)律相同，說明了CFD計(jì)算方法可以較為真實(shí)的預(yù)測(cè)矩形迷宮螺旋泵的外特性，取得了比較理想的效果，但在準(zhǔn)確性上存在一定的偏差。

5.結(jié)論：

（1）液流進(jìn)入液環(huán)腔處會(huì)出現(xiàn)二次回流的現(xiàn)象，這是由于不均勻的滯止壓力受不規(guī)則流線曲率和螺旋轉(zhuǎn)子的哥氏力作用。在介質(zhì)進(jìn)入螺旋轉(zhuǎn)子處由于節(jié)流面出現(xiàn)負(fù)壓點(diǎn)，應(yīng)防止氣蝕、氣吞現(xiàn)象。

（2）介質(zhì)出口處有較大的壓降，可能是因?yàn)橐毫饔陕菪齾^(qū)進(jìn)入出液環(huán)腔流道突然增大，并且到泵出口，有流動(dòng)方向的改變。在設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮通過增大進(jìn)口液腔的環(huán)空體積，或改變出液環(huán)腔成流線形狀向出口過渡以降低出口壓力損失。

（3）數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)所反映的外特性規(guī)律基本一致，這說明文中采用的計(jì)算模型基本符合迷宮泵內(nèi)部流場(chǎng)的實(shí)際情況，為迷宮泵的數(shù)值模擬提供依據(jù)。尤其目前在迷宮泵設(shè)計(jì)理論還不完善情況下，可以用數(shù)值計(jì)算作為泵性能預(yù)測(cè)和改進(jìn)設(shè)計(jì)；在圖8中CFD預(yù)測(cè)的揚(yáng)程H和效率都略高于試驗(yàn)的值，這是因?yàn)閿?shù)值模擬采用理想的流體和理想邊臂條件，而實(shí)際流體有沿程損失和局部過流面積變化的損失，故揚(yáng)程和效率都會(huì)偏低。

參考文獻(xiàn)

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馬慶勇（1980-）男，河南蘭考人，講師，主要從事流體機(jī)械理論、性能、模擬的研究。