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海水离心泵CFD仿真

2018/3/8    来源:互联网    作者:欧阳亮      
关键字:AcuSolve  水泵  水力性能  流动仿真  CFD  
本文使用有限元CFW软件AcuSolve对某海水离心水泵进行了计算流体力学分析,获取了离心泵内部流场的流动状态和水力性能。通过对离心式水泵在不同工况下的CFD分析,得到水力效率、扬程参数,以及相对应工况下的内部流场速度和压力分布,并和试验结果进行了对比,为后续的优化设计工作提供了依据。

1 概述

    为了保证海洋水族馆的水质,必须建立完善的水处理体系。离心泵不停将污水抽入过滤沙缸,再将净化后的水送回水池。海水循环泵的水力设计不仅影响水处理的效率,同时对于设备稳定运行,节能都有重要意义。CFD工具可以在水泵三维CAD造型初步完成后,样机未生产之前及时的获得水力性能参数指标。对可能的设计不足,进行修正和改进,节省了大量的实验成本。

2 CFD建模

    CFD分析工具和三维CAD设计软件必须有良好的接口,同时CFD网格的生成过程,参数设置等要简易而灵活,这样产品设计工程师可以快速的改动设计参数,验证新的设计变动。本文采用SolidWorks进行水力外形的建模,将数据传递给HyperWorks前处理工具。采用四面体填充流道内的网格,并控制过流面边界层网格生长和局部加密。整个过程可以在一小时内完成。

2.1 物理模型

    在旋转机械中,为了获得稳态的外特性参数,可以采用多重旋转坐标系MRF模型。MRF模型是一种定常计算模型,模型中假定网格单元做匀速运动,这种方法适用于网格区域边界上各点的相对运动基本相同的问题。大多数时均流动都可以用MRF模型进行计算,特别是运动网格区域与静止网格区域间的相互作用比较微弱时可以使用MRF模型进行计算,例如搅拌器内流场计算、泵和风机内流场计算等等。MRF模型的另一个用途是用来为滑动网格模型计算提供初始流场,即先用MRF模型粗略算出初始流场,再用滑动网格模型完成整个计算。

    为了检验湍流模型对结果精度的影响,测试了几种RANS湍流模型,包括一方程SA,两方程SST,RealizableK-e,结果显示SST和RealizableK-e的结果较接近,而且SST收敛性更好。

2.2 几何模型

    本文中分析的海水泵属于单级单吸式离心泵,由于安装空间和管路设计限制,其出口管道采用无偏置设计,入口管道和出口管道的轴心相交于叶轮的旋转轴线上。

    在HyperWorks中读入零件模型,首先对各部件进行几何编辑。由于不考虑传热,所有的固体区域,包括外壳、法兰面、螺栓孔等,在几何简化中需要将其抑制,通过布尔运算提取和流体接触部分的”湿面”。

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    图1 离心泵三维CAD示意模型

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    图2 流体区域的提取

2.3 CFD网格划分

    通过几何编辑,提取了封闭的完整的流域后,将叶轮,蜗壳,进出口分成不同的component方便设置网格参数和边界条件。叶轮表面边界层网格第一层高度为0.5mm,共3层,网格节点总数549444,单元数3257970。网格如图3–图5所示。

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    图3 网格控制示意图

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    图4 网格剖面示意图

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    图5 叶轮面网格细节

3 CFD计算

3.1 计算设置

    设置入口流量,出口静压,恒定转速。由于设计点的性能参数事先只能估算,故在水泵工作范围内取点,将入口流量写为函数,从而描绘性能曲线。每个工况点的计算在16核CPU工作站约1.5小时完成,收敛残差标准为10A-4。计算过程中监测效率,扬程曲线确保隐式迭代过程完全收敛。

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3.2 计算结果

    一共计算了两个离心泵模型,其中一个蜗壳采用常规渐开线设计,另外一个采用双蜗壳设计。取其中一个工况的数据进行后处理分析。

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    图6 两种不同的水力设计

责任编辑:张纯子
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