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離心泵的數(shù)值研究性能預測
摘要：離心泵性能預測是目前主要基于數(shù)值計算和研究的，大部分只集中于一種模式。因此，研究結果不具代表性。若要使數(shù)值計算方法和性能預測離心泵得到改善，表現(xiàn)在設計流量和離心泵模型設計流量及關閉，其具體速度是不同的，通過使用商業(yè)軟件FLUENT模擬。在FLUENT中選擇標準k -ε湍流模型和SIMPLEC算法。仿真是穩(wěn)定和移動參考構架，應考慮葉輪，蝸殼相互作用。此外，對于如何處理與葉輪和蝸殼的差距，提出了網(wǎng)格數(shù)量和效果進行了審議。對離心泵性能預測模型，建立了根據(jù)模擬結果。對頭部和不同流量的6種型號的效率進行了預測并且實驗結果和預測結果進行了詳細的比較。比較結果表明，頭部的預測精度和效率均小于5％以上。該流程的分析表明，流量變化具有的位置和背后的葉輪葉片進口和進口的速度方向低壓區(qū)面積的重要作用。這項研究表明，采用FLUENT軟件模擬結果預測離心泵性能是可行的和準確的。該方法可應用于工程實踐。
關鍵詞：離心泵，性能預測，數(shù)值研究
1、 介紹
泵的性能由內(nèi)流的特征，特性和內(nèi)流分析決定以提高泵的性能無疑是最好的方法。因此，為了準確預測水泵的理論性能，在泵流場必須精確得到，過去幾年，隨著計算機技術和計算（CFD）的流體動力學，數(shù)值模擬的快速發(fā)展，如理論分析和實驗研究及研究流場在國內(nèi)外泵和泵的性能預測上，已成為一個重要工具。不穩(wěn)定模擬一低比高速離心泵工作由圣何塞等人基于FLUENT的動態(tài)特性預測做成，葉輪和蝸殼，泵的性能的研究是通過實驗數(shù)據(jù)驗證。BYSKOV等人運用商業(yè)代碼精細/渦輪，由粒子圖像測速（PIV）和實測數(shù)據(jù)激光多普勒測速儀（LDV）做了在設計大型離心泵渦模擬流程率和關閉設計流量預測泵特色，并與預測結果吻合良好。在中國，趙等人使用移動參考框架，做了耦合葉輪，蝸殼模擬在離心式水泵流量的預測性能，F(xiàn)UENT，陳等人，模擬了一個單一的非定常流道泵，以上結果都與帶泵試驗數(shù)據(jù)相一致。
前面提到通過數(shù)值模擬預測方法的離心式水泵的業(yè)績成就，是相當令人鼓舞的，這些方法越來越廣泛地應用在泵水力設計。然而，大多數(shù)研究只關心一種泵，前人研究的預測模型沒有任何特色。更關鍵的問題是如何處理與葉輪和蝸殼的差距，以及如何考慮電網(wǎng)數(shù)效應。所以，以前的研究結果不具有代表性和普遍性。我們本文的目標是詳細評估數(shù)值精度的預測方法。因此，6個典型的離心泵作為研究模型，并選擇了FLUENT軟件用來設計小和大流量水泵的模擬條件。FLUENT軟件選擇了k -ε湍流模型和SIMPLEC算法標準，仿真是穩(wěn)定并且移動參考框架是用來考慮轉子定子的互動。依法取得模擬頭該模型的效率曲線，并進行了對比實驗數(shù)據(jù)。此外，流場也進行了分析。
2、 研究模型及其預測算法
該模型的具體速度由34至260不等，實驗和幾何參數(shù)以及設計流量列于表。葉輪的三維模型，蝸殼和吸力由專業(yè)軟件Pro / E制作及葉輪和蝸殼之間被追加到差距葉輪（如圖所示。1）。葉輪和蝸殼進口適當延長以減少出口在內(nèi)部流動的邊界條件的影響。開局時，F(xiàn)LUENT軟件的預處理器，是用于生成網(wǎng)格模型和網(wǎng)格質量檢查。由于該泵的幾何尺寸是非常復雜的，采用“EquiAngle傾斜”和“EquiSize斜交網(wǎng)格產(chǎn)生的“四面體網(wǎng)格均小于0.87，因此電網(wǎng)質量是好的。相對論的網(wǎng)格數(shù)考試工作被應用于每個模式。當泵上的網(wǎng)格數(shù)量的影響特色小于2％，其效果將被忽略。收斂殘差精度為0.00001。
圖1、第4號泵的計算區(qū)
2.1模型實驗研究
所有的模型泵在江蘇大學進行了測試。實驗過程是開放循環(huán)的，包括水庫開放給空氣，吸入閥，一個測試泵，排水管道和一個排放閥。每個模型泵有一個單一的軸向吸力和蝸殼。在循環(huán)中，水被抽出，并返回到一個巨大的水庫。流速為受放電閥和電磁流量計測量。轉速由加信號檢測。
流量不確定性被發(fā)現(xiàn)總是小于0.5％。頭和效率的不確定性，一直保持1％和1.5％。實驗數(shù)據(jù)顯示于表中。
2.2邊界條件
入口邊界條件：假設進口速度在軸方向一致，其價值等于比流量和入口區(qū)：
其中Q是流量，泵的進口和湍流動能耗散率在進口處的εin可以通過以下公式估算：
其中L是湍流尺度和l = 0.07Din，Cμ= 0.09。
出口邊界條件：“流出”的實施泵出口比重和流速設置為1。
墻邊界條件：無滑移條件執(zhí)行在墻面和標準壁面函數(shù)應用于鄰近地區(qū)。
2.3預測算法
頭H是由下列公式計算：
其中噘嘴是在蝸殼出口總壓，引腳是在葉輪進口總壓，ρ為液體密度，g是重力加速度。
液壓效率ηh計算公式為：
其中M是葉輪扭矩，ω是角速度。
容積效率ηv計算公式為：
總效率η計算公式為：
其中Pe是水電及Pe=ρgqH，ΔPd是磁盤摩擦損失，其計算方法是參數(shù)法。
3預測結果與分析
圖、2顯示性能預測和實驗曲線，包括流量水頭和流量曲線率效率曲線。據(jù)圖中的數(shù)據(jù)二，預測誤差可以計算如下：
其中ΔH是頭部的差異，Δη是效率差異，Hp是頭部預測，He是實驗頭，ηp是預測的總有效率，ηe是實驗總效率。
計算結果差異：所有的流量頭部的每個模型，預測最大差異為4.81％，最小誤差為0.24％，平均差距是2.49％，最大的差異預測總效率為4.52％，最小誤差為0.08％，平均誤差為2.02％。流量設計率，預測頭部最大的差距是4.81％，最低的差距為0.65％，平均差距2.02％，而最大的差異總預測效率為4.42％，最小誤差為0.54％;平均誤差為2.4％。計算表明，所有的差異都在5％以內(nèi)。
更多信息可從差異計算。預測預報效能沒有顯示相同的趨勢，這意味著前者是大于實驗數(shù)據(jù)，而后者可能較小，等差異是頭部和預測預報效率差異。分析還表明，業(yè)績預測精度在設計流量不是最高的。
4.內(nèi)部不同流動點流場分析
4.1靜壓分布
如圖3所示，在不同的流速下，從葉輪進口到出口的靜壓逐步增加，并且靜態(tài)壓力側壓力明顯大于在同一側同半徑吸葉輪壓力。根據(jù)等壓線密度發(fā)現(xiàn)，靜壓增加流速緩慢。
在小流速時，在吸力面的葉片進口有一個明顯的低壓區(qū)，特別是在流動通道1，23，在空化易發(fā)生。當流量增加時，該地區(qū)接近葉片中的吸力面，特別是在流動通道1，2和3。關于擴散蝸殼出口段靜壓明顯在小和設計流量的增加而在同一個地方的靜態(tài)壓力下降明顯在大由于流減水率的限制和設計流量較大的偏移，分布在葉輪和蝸殼的靜壓變得明顯紊亂和不統(tǒng)一，特別是舌頭蝸殼的附近。
4.2相對速度的分布
如圖4所示，相對速度在任何流量不同的水流通道的分布顯然是不同的，這表明，蝸殼對葉輪內(nèi)部流動具有重要作用。對于不同的流率，特別是在不同的流動通道1，2和3，葉輪的相對速度分布明顯不同。在小流量的葉片壓力面，有一個相對速度較低的很大的“死水“地帶。由于泵流量的增加，該區(qū)域逐漸變小，特別是在流道2。同時，從入口運放的分布可以發(fā)現(xiàn)，該方向的非設計流程率在葉片進口的速度變化明顯，從而導致對刀片產(chǎn)生重大影響。該事件在大流量的角度是消極的，在小流量是積極的，這與理論分析吻合。
5結論
本文用商業(yè)軟件FLUENT，耦合模擬六詳細介紹了離心泵在不同流量預測模型及特征離心泵是成立的。以及如何處理葉輪和蝸殼之間的差距，提出和網(wǎng)格數(shù)量的影響。主要研究結論如下。
（1）頭部和預測預報的差異總有效率均小于5％。對于所有流量的每一個模型，總平均誤差為2.49％和預測平均誤差為2.02％。頭部和預測預報的效率不顯示同樣的趨勢且設計流量的性能預測精度不是最高的。
（2）在小流量葉片進口端有一個明顯低壓區(qū)，隨著流量的增加，該地區(qū)接近葉片吸力面的中間。小設計流量該蝸殼出口段靜態(tài)壓力擴散顯著增加，而在大流量在同一個地方的靜態(tài)壓力明顯下降。由于泵的流量的增加，“死水”地帶逐漸變小。在葉片進口的速度變化明顯，在非設計流程時。入射角在大流量的是消極的，它在小流量是積極。
（3）本文研究表明，該數(shù)值方法對離心泵性能產(chǎn)生了良好的預測，可應用于實踐。
圖 3。3號靜泵面臨的壓力分布（kPa）
圖 4。第3號泵葉輪中面相對速度分配及其在入口運放的分布（米/秒）
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