離心式雜質(zhì)泵蝸殼內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬

                     離心式雜質(zhì)泵蝸殼內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬

                         徐振法,王銀鳳,唐鈴鳳

              (安徽工程科技學(xué)院機(jī)械工程系,安徽蕪湖　241000)

    摘要：利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析軟件,對(duì)離心式雜質(zhì)泵的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬.計(jì)算了顆粒直徑為0.076mm,固相體積分?jǐn)?shù)為10%的兩相流工況下的三維湍流流場(chǎng),得到了蝸殼內(nèi)的速度、壓力和固相體積分?jǐn)?shù)分布等流動(dòng)信息.計(jì)算結(jié)果表明:自進(jìn)口至最大半徑處蝸殼內(nèi)的速度不斷減小,壓力逐漸增大,顆粒體積分?jǐn)?shù)隨半徑增大而增大.

    關(guān)鍵詞：雜質(zhì)泵;蝸殼;內(nèi)部流場(chǎng);數(shù)值模擬

    中圖分類(lèi)號(hào)：TH122　　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

    文章編號(hào)：1672-2477(2010)01-0018-04

    離心式雜質(zhì)泵廣泛應(yīng)用于水利、石化、采礦和電力等行業(yè),用于輸送含有固體顆粒的固液兩相或多相介質(zhì).由于其輸送介質(zhì)的多樣性、內(nèi)部流動(dòng)的復(fù)雜性,目前雜質(zhì)泵的設(shè)計(jì)方法并不成熟,大多都是按輸送清水介質(zhì)設(shè)計(jì)的,導(dǎo)致泵的運(yùn)行效率低、噪聲大、局部磨損嚴(yán)重,造成能源和材料的大量浪費(fèi),因此了解泵內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律顯得尤為重要.雖然實(shí)驗(yàn)是研究泵內(nèi)流場(chǎng)最直接、最可靠的方法,但是存在投資大、周期長(zhǎng)等缺陷,同時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和精度受測(cè)試儀器儀表及環(huán)境的制約,對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)和細(xì)微流動(dòng)機(jī)理的分析能力有限.而利用CFD軟件模擬泵內(nèi)部流場(chǎng)成本低,并且也可以比較準(zhǔn)確直觀的反映出泵內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律[1].本文以一個(gè)離心式雜質(zhì)泵為研究對(duì)象,對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了兩相流工況下的數(shù)值模擬,將其內(nèi)部流動(dòng)可視化,得到了蝸殼內(nèi)的速度、壓力以及固相體積分?jǐn)?shù)分布,并對(duì)蝸殼流道內(nèi)的流動(dòng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析.

    1　模型建立和網(wǎng)格劃分

    本文所計(jì)算的離心式雜質(zhì)泵用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法進(jìn)行設(shè)計(jì),考慮顆粒的影響,加大了葉輪出口寬度和蝸殼基圓直徑.葉輪采用圓柱葉片、弧形背葉片.蝸殼采用螺旋型矩形蝸殼.根據(jù)葉輪和蝸殼的水力圖,利用三維CAD軟件PRO/E對(duì)葉輪及蝸殼流道建立三維實(shí)體模型,并在進(jìn)出口處做了延伸段.離心泵內(nèi)的流道非常復(fù)雜,在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格很難處理,因此采用自適應(yīng)性很強(qiáng)的四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,并在局部區(qū)域,如葉輪與蓋板的間隙處和隔舌,進(jìn)行了網(wǎng)格加密,以保證網(wǎng)格精度.網(wǎng)格單元總數(shù)為608 543.整機(jī)網(wǎng)格如見(jiàn)圖1所示.

                

    2　控制方程和邊界條件

    2.1　控制方程

    在考慮泵內(nèi)的不可壓流動(dòng)時(shí),使用笛卡兒坐標(biāo)系,速度矢量 u在x、y和z方向的分量為u、v和w,可寫(xiě)出湍流控制方程[2].連續(xù)方程:div u =0.動(dòng)量方程:

                

    式中Fx、Fy、Fz為除了壓強(qiáng)梯度和粘性力以外其他作用力的合力.在固液兩相流計(jì)算中,這個(gè)力為固體顆粒對(duì)流體的反作用力.湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型來(lái)封閉求解N-S方程.壓力速度耦合采用了標(biāo)準(zhǔn)SIMPLE算法,速度項(xiàng)、湍動(dòng)能項(xiàng)和湍動(dòng)能耗散率項(xiàng)均采用一階迎風(fēng)格式.多相流模型采用歐拉模型進(jìn)行計(jì)算.

    2.2　邊界條件

    在計(jì)算域進(jìn)口,采用速度進(jìn)口.湍動(dòng)能和湍動(dòng)能的耗散率分別由經(jīng)驗(yàn)公式k =0.05u2,ε= cuk3/2/l確定[3].在計(jì)算域的出口,采用壓力出口.在葉片和蝸殼內(nèi)表面上均采用無(wú)滑移固壁邊界條件,近壁處采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理.

    3　計(jì)算結(jié)果分析

    本文以顆粒直徑為0.076 mm、固相體積分?jǐn)?shù)為10%的兩相流工況下的泵內(nèi)三維湍流流場(chǎng)為研究對(duì)象.主要分析蝸殼內(nèi)的壓力、速度和固相體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律.圖2為蝸殼內(nèi)8個(gè)斷面的位置示意圖,各斷面位置已用羅馬數(shù)字標(biāo)識(shí)出來(lái)了.靠近隔舌處為第1斷面,順時(shí)針?lè)较蛎扛?5°分布一個(gè)斷面.自第8斷面至出口為擴(kuò)散段.從蝸殼中截面和8個(gè)斷面兩個(gè)不同的角度出發(fā)來(lái)研究其內(nèi)部流動(dòng).

    3.1　蝸殼中截面流動(dòng)分析

    圖3至圖5為蝸殼中截面的速度、壓力和固相體積分?jǐn)?shù)分布.從圖3不難看出,蝸殼內(nèi)的速度分布不均勻,速度梯度明顯.在第1至第8斷面間,隨半徑的增大而減小,但是在第3截面和第7截面處存在局部高速區(qū),隔舌處存在一個(gè)低速區(qū),這和蝸殼中截面的壓力分布也吻合,在對(duì)應(yīng)位置的壓力相應(yīng)較低,這可能是由于第3和第7斷面的截面設(shè)計(jì)不合理,面積變化不均勻造成的.從第8斷面至出口速度逐漸下降,這是由于流道面積增大的結(jié)果.

               

    從圖4蝸殼中截面的壓力分布可以看出,蝸殼內(nèi)的壓力變化比較明顯,在蝸殼內(nèi)隨半徑的增大,壓力也不斷增加.第1至第8斷面的壓力基本一致,變化不大.但在第3截面和第7截面處存在局部的低壓區(qū),而在隔舌處存在局部高壓區(qū).在蝸殼擴(kuò)散段,壓力不斷升高,說(shuō)明擴(kuò)散段達(dá)到了升壓效果,有效的降低了出口流體的速度.

                

    顆粒直徑為0.076 mm,屬小顆粒,其與流體的跟隨性較好.因此觀察圖5的固相體積分?jǐn)?shù)分布,可以發(fā)現(xiàn),蝸殼中的固體顆粒分布比較均勻,但從蝸殼進(jìn)口至最大半徑處仍然是不斷增大的.蝸殼進(jìn)口的固相體積分?jǐn)?shù)為7.6%,最大半徑處為17.9%.這是由于從葉輪流出的流體直接進(jìn)入蝸殼,在慣性的作用下,顆粒有向蝸殼壁面運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì).由此可以進(jìn)行定性分析,隨粒徑的增大,蝸殼內(nèi)的固體顆粒會(huì)向壁面處靠近,造成壁面處濃度增大.這與相關(guān)文獻(xiàn)提出的結(jié)論是一致的[4].

    3.2　蝸殼8個(gè)截面流動(dòng)分析

    本文研究對(duì)象為離心式雜質(zhì)泵,輸送介質(zhì)中含有固體顆粒,采用清水設(shè)計(jì)方法時(shí)考慮顆粒對(duì)流場(chǎng)的影響,為了增加通流能力,減小磨損,放大了第1截面的面積,使其與第2截面一致.圖6至圖8分別是蝸殼8個(gè)截面的速度、壓力和固相體積分?jǐn)?shù)分布.圖示的位置上方是靠近背葉片一側(cè),下方是靠近葉片一側(cè).從圖6速度分布中不難發(fā)現(xiàn),在蝸殼各個(gè)斷面速度分布比較均勻,自蝸殼進(jìn)口至最大半徑處,速度值不斷減小,但變化并不大,只是在蝸殼壁面處速度梯度很大,速度值下降很快,這也使得固體顆粒容易在蝸殼壁面處產(chǎn)生堆積,造成壁面磨損很快.另外仔細(xì)比較各斷面的速度等值線,可以看出,有一個(gè)共同的特點(diǎn):靠近葉片一側(cè)蝸殼內(nèi)的速度值要比靠近背葉片一側(cè)的速度大.這說(shuō)明葉片對(duì)于流體的做功效果要比背葉片明顯.



    從圖7各斷面的壓力分布可以看出,蝸殼內(nèi)的壓力分布規(guī)律很明顯,自進(jìn)口至最大半徑處,壓力不斷增大,這是由于蝸殼不是做功元件,流體進(jìn)入蝸殼后,速度開(kāi)始降低,因而壓力相應(yīng)升高.另外,各斷面的壓力等值線趨勢(shì)基本一致,沒(méi)有明顯的區(qū)別,但各個(gè)截面在壓力值上有微弱差距.各截面的壓力等直線都是平行與蝸殼進(jìn)口邊,說(shuō)明靠近葉片側(cè)和靠近背葉片側(cè)的壓力基本相等,背葉片基本形成了等壓密封,減輕了軸封處的密封壓力,同時(shí)背葉片起到了平衡軸向力的作用[5].



    從圖8的固相體積分?jǐn)?shù)分布可以看出,各斷面上的分布規(guī)律基本相同,總體的趨勢(shì)是,從進(jìn)口至最大半徑處,固相體積分?jǐn)?shù)是不斷增大的.最大值出現(xiàn)在蝸殼壁面處.但是從等值線的分布規(guī)律來(lái)看,靠近葉片一側(cè)的濃度高于靠近背葉片一側(cè).這是從葉片流出的流體中含有顆粒要遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于從背葉片中流出的顆粒.背葉片的一個(gè)作用就是要阻止顆粒進(jìn)入軸封處,造成軸封磨損,快速失效.因此背葉片流道中的顆粒很少,從其中流出的顆粒自然也很少.



    4　結(jié)論

    蝸殼內(nèi)的速度自進(jìn)口至最大半徑處不斷減小,梯度最大值出現(xiàn)在靠近壁面處,靠近葉片一側(cè)的速度大于靠近背葉片一側(cè);蝸殼內(nèi)的壓力自進(jìn)口至最大半徑處不斷增大,變化均勻,且靠近葉片一側(cè)與靠近背葉片一側(cè)的壓力基本相等,背葉片能夠形成等壓密封;蝸殼內(nèi)的顆粒在慣性作用在向壁面處運(yùn)動(dòng),使得蝸殼內(nèi)的顆粒濃度隨半徑增大而增大,壁面處濃度最高,同時(shí)靠近葉片一側(cè)的濃度較高.

參考文獻(xiàn):

[1]　沈宗沼.國(guó)內(nèi)液固兩相流泵的設(shè)計(jì)研究綜述[J].流體機(jī)械,2006,34 (3):32-38.

[2]　翟麗麗,于瑞雪,范軍濤.基于Agent的虛擬企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)作研究[J].科技與管理,2007(1):17-20.

[3]　朱長(zhǎng)征,王志謙.基于多企業(yè)Agent的動(dòng)態(tài)聯(lián)盟設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程,2002(8):152-153.

[4]　李莉,李偉平,薛勁松,等.基于多智能體的虛擬企業(yè)的構(gòu)建及運(yùn)行研究[J].中國(guó)機(jī)械工程,2002(3):477-480.

[5]　史忠植.智能主體及其應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2000:1-62.

[6]　Leiter M,Dean T.A framework for the development of multiagent 

architectures[J]. IEEE Expert,1996(12):47-58.

[7]　Lander S E.Issues in multi-agent design system[J]. IEEE: Expert 

intelligent system & their application,1997,12(2):18-26.

[8]　武妍,曾建潮,白尚旺.基于MAS的虛擬企業(yè)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].裝備制造技術(shù),2007(4):30-32.

[9]　Deepika Chauhan. JAFMAS: A Java-based agent framework for multi-agent

 system development and implementation[D].Cincinnati:University of Cincinnati,1997.