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2016产品创新数字化征文:MSI利用STAR-CCM+®进行复杂水泵水力分析

2016/12/5    来源:e-works    作者:EDWARD BENNETT   ARTEM IVASHCHENKO      
关键字:MSI  
本文展示了MSI公司如何运用STAR-CCM+有效应对水泵设计中遇到的挑战。

    当今无论化石燃料发电厂、核能发电厂还是可再生能源发电厂,其现代化旋转机械设计均面临诸多挑战,包括:

    ●成本效益、环保意识、安全和功能等方面要求;

    ●符合政府相关排放法规;

    ●具有快速高效的定制水泵/涡轮及其升级/改装设计过程;

    ●设计工况下性能良好能实现最佳效率点(BEP)、非设计工况下依然稳健有效;

    ●不因空化、磨损、侵蚀、振动等原因频繁停机进行维护或修理。

    前述挑战使得传统的方法体系在机械设计-建造-测试-再设计整个周期内不再具有成本效益,因此不再可行。目前,旋转机械的设计者们正在转向更先进的设计方法体系,如:计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工程CAE)、计算机辅助制造CAM)等应用到虚拟原型设计、优化及故障排除等过程当中。

    这类仿真工具允许设计人员在设计周期的较早阶段对机械性能和行为作出准确预测、对多种设计作出相关分析、减少对多个物理原型和昂贵测试的依赖,从而有针对性地进行设计优化,实现最优性能并缩短设计时间和设计成本。

    Mechanical Solutions,Inc.(MSI)公司总部设于新泽西州惠帕尼,专注于流体机械设计、流体动力学分析、机械设计和分析等领域。MSI公司致力于运用先进的分析测试工具对能源行业各类旋转式、往复式以及涡轮机械进行分析、测试和故障排除。

    仿真模拟包STAR-CCM+由CD-adapco™开发,具有行业领先水平,本文展示了MSI公司如何运用STAR-CCM+有效应对水泵设计中遇到的挑战。

运用STAR-CCM+进行水泵仿真

    水泵广泛应用于化石燃料发电厂、核能发电厂、水力发电厂以及其他一些行业,如:化工业、汽车散热领域、油气行业以及工业废弃物管理等。水泵的一些主要设计挑战包括流体运动非定常、空蚀、旋转机械(件)等。STAR-CCM+能够成功解决这些物理难点,同时使数字设计过程流程化和更加稳健。生成几何、划分网格、计算求解、后处理以及优化都可以高效的在STAR-CCM+内完成。

    STAR-CCM+提供的一些功能,如非定常流动求解器、非定常空化模型、旋转计算域刚体运动(RBM)、复杂几何结构的自动化非结构网格划分、并行处理能力等,允许设计者以较经济的方式对多个水泵设计方案进行比较和研究。

    STAR-CCM+还允许设计人员对设计点和非设计点的水泵性能作出快速预测,从而有效避免空化和侵蚀等产生的破坏作用。

案例研究 1:双吸泵

    客户委托MSI公司对其双吸泵设计进行分析,论证该水泵是否满足预期性能要求。为提高空化性能,水泵采用复杂的离心式设计。在泵的顶部设置进口,在泵的中段设置分流装置以减轻径向负荷,在泵的两侧设置完全相同的两个叶轮,逐渐导至涡壳。水流进入水泵后流量等分通过前述两个叶轮段。MSI公司运用STAR-CCM+对水泵复杂的物理现象和过程进行模拟,包括360度瞬态流动、旋转几何结构、非定常空化现象等。流道因对称性只计算一半。首先对进口、叶轮和涡壳进行建模。利用STAR-CCM+的自动多面体网格划分功能对流域空间进行离散,随后创建单叶片通道网格并根据周期性生成全模型,确保网格的均一性。棱柱层网格单元在表面自动生成以求解边界层,最终的网格总量为五百万。图1显示了流道的几何结构和网格。

图 1:水泵的流道结构(左)以及 STAR-CCM+ 沿中心平面的计算网格(右)

图1 水泵的流道结构(左)以及STAR-CCM+沿中心平面的计算网格(右)

    STAR-CCM+采用分离流求解器,同时结合二阶对流差分格式以及SST K-ω湍流模型。启用多相流(VOF)模型捕捉水和水汽之间的交界面,选择Rayleigh-Plesset空化模型进行空化模拟。基于参考点给定进口总压力条件并指定进口和出口的质量流量。旋转叶轮被交界面包围,利用刚体运动(RBM),给定包围叶轮的域以叶轮的实际转速。设定非定常时间步长及总时间后对一个完整的叶轮旋转周期进行模拟,每个时间步长采用20布内迭代。模拟过程持续若干个完整的周期,直到残差监测参数变得稳定,压力、扭矩、质量流量等变量监测参数呈现出周期性行为为止。

    速度云图(图2)显示叶轮周围的稳定流场以及分流器附近良好的均匀蜗壳流以及回流区域。由于水泵的轴向尺寸有限,因此在进口和涡壳附近可观察到一定的回流现象。尽管不希望看到流动不均匀性,但也只能接受,因为有限的轴向空间已经无法提供均匀流所需的更大轴向空间。图3显示了叶轮汽相体积分数云图,其中,蓝色区域代表水,红色区域代表水汽。图中可以看出进口压力较高时(175kPa)空化作用极其微小,随着进口总压力减小,叶轮空化现象开始变得明显。

图 2:中心平面处以卷积方式显示的速度云图(LIC)

图2 中心平面处以卷积方式显示的速度云图(LIC)

图 3:叶轮上的汽相体积分数云图显示处于不同进口总压力工况下的空化情况)

图3 叶轮上的汽相体积分数云图显示处于不同进口总压力工况下的空化情况

    图4显示了制造商试验测得的空化余量(NPSH)和STAR-CCM+在不同质量流率下计算得到的空化余量的对比图。STAR-CCM+能够精确捕捉较低NPSH和较低进水压力条件下水泵性能的拐点并且能够与实验数据进行准确比较。利用STAR-CCM+,MSI公司能够在70%、110%和150%的质量流速条件下生成NPSH变化数值曲线。根据STAR-CCM+的模拟结果,客户可以做出明确的水泵设计和方案决定,包括空化性能。

图 4:STAR-CCM+ 数据和测试数据之间的空化拐点曲线对比,

图4 STAR-CCM+数据和测试数据之间的空化拐点曲线对比

责任编辑:马倩
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