离心式杂质泵蜗壳内部流场数值模拟

                     离心式杂质泵蜗壳内部流场数值模拟

                         徐振法,王银凤,唐铃凤

              (安徽工程科技学院机械工程系,安徽芜湖　241000)

    摘要：利用计算流体动力学分析软件,对离心式杂质泵的内部流场进行了数值模拟.计算了颗粒直径为0.076mm,固相体积分数为10%的两相流工况下的三维湍流流场,得到了蜗壳内的速度、压力和固相体积分数分布等流动信息.计算结果表明:自进口至最大半径处蜗壳内的速度不断减小,压力逐渐增大,颗粒体积分数随半径增大而增大.

    关键词：杂质泵;蜗壳;内部流场;数值模拟

    中图分类号：TH122　　　　文献标识码：A

    文章编号：1672-2477(2010)01-0018-04

    离心式杂质泵广泛应用于水利、石化、采矿和电力等行业,用于输送含有固体颗粒的固液两相或多相介质.由于其输送介质的多样性、内部流动的复杂性,目前杂质泵的设计方法并不成熟,大多都是按输送清水介质设计的,导致泵的运行效率低、噪声大、局部磨损严重,造成能源和材料的大量浪费,因此了解泵内的流动规律显得尤为重要.虽然实验是研究泵内流场最直接、最可靠的方法,但是存在投资大、周期长等缺陷,同时实验数据的准确度和精度受测试仪器仪表及环境的制约,对内部流场和细微流动机理的分析能力有限.而利用CFD软件模拟泵内部流场成本低,并且也可以比较准确直观的反映出泵内的流动规律[1].本文以一个离心式杂质泵为研究对象,对其内部流场进行了两相流工况下的数值模拟,将其内部流动可视化,得到了蜗壳内的速度、压力以及固相体积分数分布,并对蜗壳流道内的流动进行了详细的分析.

    1　模型建立和网格划分

    本文所计算的离心式杂质泵用经验系数法进行设计,考虑颗粒的影响,加大了叶轮出口宽度和蜗壳基圆直径.叶轮采用圆柱叶片、弧形背叶片.蜗壳采用螺旋型矩形蜗壳.根据叶轮和蜗壳的水力图,利用三维CAD软件PRO/E对叶轮及蜗壳流道建立三维实体模型,并在进出口处做了延伸段.离心泵内的流道非常复杂,在进行网格划分时采用结构化网格很难处理,因此采用自适应性很强的四面体非结构化网格,并在局部区域,如叶轮与盖板的间隙处和隔舌,进行了网格加密,以保证网格精度.网格单元总数为608 543.整机网格如见图1所示.

                

    2　控制方程和边界条件

    2.1　控制方程

    在考虑泵内的不可压流动时,使用笛卡儿坐标系,速度矢量 u在x、y和z方向的分量为u、v和w,可写出湍流控制方程[2].连续方程:div u =0.动量方程:

                

    式中Fx、Fy、Fz为除了压强梯度和粘性力以外其他作用力的合力.在固液两相流计算中,这个力为固体颗粒对流体的反作用力.湍流模型采用标准k-ε双方程模型来封闭求解N-S方程.压力速度耦合采用了标准SIMPLE算法,速度项、湍动能项和湍动能耗散率项均采用一阶迎风格式.多相流模型采用欧拉模型进行计算.

    2.2　边界条件

    在计算域进口,采用速度进口.湍动能和湍动能的耗散率分别由经验公式k =0.05u2,ε= cuk3/2/l确定[3].在计算域的出口,采用压力出口.在叶片和蜗壳内表面上均采用无滑移固壁边界条件,近壁处采用标准壁面函数法处理.

    3　计算结果分析

    本文以颗粒直径为0.076 mm、固相体积分数为10%的两相流工况下的泵内三维湍流流场为研究对象.主要分析蜗壳内的压力、速度和固相体积分数分布规律.图2为蜗壳内8个断面的位置示意图,各断面位置已用罗马数字标识出来了.靠近隔舌处为第1断面,顺时针方向每隔45°分布一个断面.自第8断面至出口为扩散段.从蜗壳中截面和8个断面两个不同的角度出发来研究其内部流动.

    3.1　蜗壳中截面流动分析

    图3至图5为蜗壳中截面的速度、压力和固相体积分数分布.从图3不难看出,蜗壳内的速度分布不均匀,速度梯度明显.在第1至第8断面间,随半径的增大而减小,但是在第3截面和第7截面处存在局部高速区,隔舌处存在一个低速区,这和蜗壳中截面的压力分布也吻合,在对应位置的压力相应较低,这可能是由于第3和第7断面的截面设计不合理,面积变化不均匀造成的.从第8断面至出口速度逐渐下降,这是由于流道面积增大的结果.

               

    从图4蜗壳中截面的压力分布可以看出,蜗壳内的压力变化比较明显,在蜗壳内随半径的增大,压力也不断增加.第1至第8断面的压力基本一致,变化不大.但在第3截面和第7截面处存在局部的低压区,而在隔舌处存在局部高压区.在蜗壳扩散段,压力不断升高,说明扩散段达到了升压效果,有效的降低了出口流体的速度.

                

    颗粒直径为0.076 mm,属小颗粒,其与流体的跟随性较好.因此观察图5的固相体积分数分布,可以发现,蜗壳中的固体颗粒分布比较均匀,但从蜗壳进口至最大半径处仍然是不断增大的.蜗壳进口的固相体积分数为7.6%,最大半径处为17.9%.这是由于从叶轮流出的流体直接进入蜗壳,在惯性的作用下,颗粒有向蜗壳壁面运动的趋势.由此可以进行定性分析,随粒径的增大,蜗壳内的固体颗粒会向壁面处靠近,造成壁面处浓度增大.这与相关文献提出的结论是一致的[4].

    3.2　蜗壳8个截面流动分析

    本文研究对象为离心式杂质泵,输送介质中含有固体颗粒,采用清水设计方法时考虑颗粒对流场的影响,为了增加通流能力,减小磨损,放大了第1截面的面积,使其与第2截面一致.图6至图8分别是蜗壳8个截面的速度、压力和固相体积分数分布.图示的位置上方是靠近背叶片一侧,下方是靠近叶片一侧.从图6速度分布中不难发现,在蜗壳各个断面速度分布比较均匀,自蜗壳进口至最大半径处,速度值不断减小,但变化并不大,只是在蜗壳壁面处速度梯度很大,速度值下降很快,这也使得固体颗粒容易在蜗壳壁面处产生堆积,造成壁面磨损很快.另外仔细比较各断面的速度等值线,可以看出,有一个共同的特点:靠近叶片一侧蜗壳内的速度值要比靠近背叶片一侧的速度大.这说明叶片对于流体的做功效果要比背叶片明显.



    从图7各断面的压力分布可以看出,蜗壳内的压力分布规律很明显,自进口至最大半径处,压力不断增大,这是由于蜗壳不是做功元件,流体进入蜗壳后,速度开始降低,因而压力相应升高.另外,各断面的压力等值线趋势基本一致,没有明显的区别,但各个截面在压力值上有微弱差距.各截面的压力等直线都是平行与蜗壳进口边,说明靠近叶片侧和靠近背叶片侧的压力基本相等,背叶片基本形成了等压密封,减轻了轴封处的密封压力,同时背叶片起到了平衡轴向力的作用[5].



    从图8的固相体积分数分布可以看出,各断面上的分布规律基本相同,总体的趋势是,从进口至最大半径处,固相体积分数是不断增大的.最大值出现在蜗壳壁面处.但是从等值线的分布规律来看,靠近叶片一侧的浓度高于靠近背叶片一侧.这是从叶片流出的流体中含有颗粒要远远多于从背叶片中流出的颗粒.背叶片的一个作用就是要阻止颗粒进入轴封处,造成轴封磨损,快速失效.因此背叶片流道中的颗粒很少,从其中流出的颗粒自然也很少.



    4　结论

    蜗壳内的速度自进口至最大半径处不断减小,梯度最大值出现在靠近壁面处,靠近叶片一侧的速度大于靠近背叶片一侧;蜗壳内的压力自进口至最大半径处不断增大,变化均匀,且靠近叶片一侧与靠近背叶片一侧的压力基本相等,背叶片能够形成等压密封;蜗壳内的颗粒在惯性作用在向壁面处运动,使得蜗壳内的颗粒浓度随半径增大而增大,壁面处浓度最高,同时靠近叶片一侧的浓度较高.

参考文献:

[1]　沈宗沼.国内液固两相流泵的设计研究综述[J].流体机械,2006,34 (3):32-38.

[2]　翟丽丽,于瑞雪,范军涛.基于Agent的虚拟企业生产运作研究[J].科技与管理,2007(1):17-20.

[3]　朱长征,王志谦.基于多企业Agent的动态联盟设计[J].计算机工程,2002(8):152-153.

[4]　李莉,李伟平,薛劲松,等.基于多智能体的虚拟企业的构建及运行研究[J].中国机械工程,2002(3):477-480.

[5]　史忠植.智能主体及其应用[M].北京:科学出版社,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的虚拟企业框架结构设计[J].装备制造技术,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.