迷宫螺旋泵内部流动的CFD 模拟
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第34卷第2期2007年北京化工大学学报JOURNALOFBEIJINGUNIVERSITYOFCHEMICALTECHNOLOGYVol.34,No.22007
・研究简报・
迷宫螺旋泵内部流动的CFD模拟
田国文 张有忱3 黎镜中(北京化工大学机电工程学院,北京 100029)
摘 要:利用CFD分析软件Fluent及其前处理软件Gambit对迷宫螺旋泵的内部流场进行数值模拟,通过对泵内流场流动特点的分析,讨论了速度和压力分布,结果表明螺旋转子区域的流场内流体速度高,压力相对较低,螺旋转子对泵的增压效果比螺旋定子贡献更大,对该泵的设计和进一步研究提供了一定的依据。关键词:迷宫螺旋泵;Fluent;数值模拟中图分类号:TH38
收稿日期:2006207218
第一作者:男,1982年生,硕士生3通讯联系人
E2mail:zhangyc@mail.buct.edu.cn
迷宫螺旋泵是近年来发展起来的一种小流量、高扬程泵,可广泛应用于石油化工、机械、农业、食品、卫生等生产生活领域。迷宫螺旋泵最早出现于20世纪60年代的前苏联,80年代引入我国。迷宫螺旋泵是在迷宫螺旋密封的基础上演变而来的,具有结构简单、工作稳定、维修方便、噪音小、造价低等特点[122]。目前,迷宫螺旋泵已经应用于生产实际,并取得了不错的效果,但是对迷宫螺旋泵的研究却并不多,泵的设计、安装、运行、维修等基本上依赖于实验和经验。主要原因是迷宫螺旋泵的基本理论尚不成熟,泵的特性参数尚无统一的计算方法。对流体流场的研究主要有三种方法:传统的理论分析,实验研究以及随着计算机技术的发展而兴起的数值模拟。相对于前两种方法,数值模拟的方法具有研究周期短、造价低、应用范围广、安全性高等优点,已越来越多地被研究人员所采用。数值模拟的理论基础是计算流体动力学,即CFD(Compu2tationalFluidDynamics)。本文将采用著名的CFD软件Fluent对某种迷宫螺旋泵的内部流场进行数值模拟,以期对该泵的研究和应用提供帮助。1 数值模拟111 控制方程迷宫螺旋泵流道狭窄,流体处于强烈的湍流状态。根据流场的特点,结合Fluent软件所采用的数值解法,得出问题的控制方程如下[324](由于未考虑热交换,没有列出能量方程)。Fluent的计算过程实质上就是将下列连续方程离散化为代数方程组,然后用一定的数值解法求解的过程。本例中,离散格式为二阶迎风格式,数值方法为simplec算法。(1)连续方程
・U=0(1)
(2)动量方程
5(ρU)
5t
+ρU・U=・[(μ+μt)U]+S
(2)(3)湍动能k方程5(ρk)
5t
+・(ρUk)=・μ+
μt
σk
k+
Gk+ρε(3)(4)湍动耗散率方程5(ρε)
5t
+・(ρUε)=・μ+
μt
σε
ε+
εk(C1εGk-C
2ε
ρε)(4)
(5)湍动黏度μt=ρCμk2ε(5)
以上各式中,U为速度,ρ为密度,t为时间,
μ
为动力黏度,S为源项,湍动能对应的Pr数σk=
110,湍动耗散率对应的Pr数σε=113,经验常数Cμ=
0109、C1ε=1144、C2ε=1192,由平均速度梯度引起的湍动能产生项
Gk=μt25u5x2+5v5y2+5w5z2+
5u5y+5v5x2+5u5z+5w5x2+5v5z+5w
5y
2(6)112 模型建立和网格划分选用MLB21002015型单端迷宫螺旋泵为研究对象。主要几何参数为螺旋体长度l=160mm,槽深t=315mm,头数z=27,间隙c=015mm,定子内径d=100mm,导程s=160mm;主要性能参数为流量Q=015L/s,转速n=2900r/min。模拟介质为水(water2liquid(H2O〈1〉)),泵装配图和啮合螺纹放大图如图1所示。图1 迷宫螺旋泵装配图Fig.1 Assemblydiagramoflabyrinthscrewpump几何建模及网格划分过程在Fluent的前处理软件Gambit中完成。模型的主要部分是一对旋向相反的螺旋体,其中部分流体随转子转动。在计算中采用旋转参考系,随转子转动的流体部分作为独立的区域处理。随定子静止的流体部分、进口以及出口作为一个区域。对于以上两个区域的连接面,定义为内边界(interior),Fluent要求两个区域必须共用这个面。因间隙值较小,为方便网格划分,故将间隙的中间面作为连接面。由于是对整机划分网格,故采用TGrid方法对转动部分和静止部分分别进行体网格划分,最终得到网格数为908748个。113 计算方法和边界条件迷宫螺旋泵包含旋转的动边界和静止不动的静边界,对于动静边界的耦合,fluent提供了3种方法:多参考坐标系模型(MRF)、混合平面模型(MP)、滑移网格模型(SM),其中第三种属非定常计算。根据文献[5]对三种模型的计算比较,决定在本文中选用多参考坐标系模型。该模型在计算时坐标系与转子区域固定在一起,保持相对静止,而定子在惯性坐标系中保持静止,两个区域在内边界处交换流体参数。迷宫螺旋泵内流动为强烈的湍流,本文采用标准k2ε黏性模型进行模拟。流场计算采用Simplec算法,方程离散格式采用二阶迎风格式。在计算中未考虑温度变化和重力影响,介质为水(ρ=998kg/m3,μ=1101×10-3kg/(m・s))。
计算域的进口采用速度入流条件,流动方向垂直于进口边界,输入值为1176m/s;出口采用出流条件,流动完全发展;壁面处采用无滑移边界条件,在近壁区采用标准壁面函数。
2 结果与讨论211 建模方法的经验总结迷宫螺旋泵是一种典型的旋转流体机械,由于主要流道是一对旋向相反的多头螺纹,故整机模型非常复杂。用Fluent模拟此类流场有三大难点,一是转子内流体与定子内流体的连接;二是正确合理划分网格;三是在保证结果合理的前提下使计算尽快达到收敛。对于转定区域的连接面,Fluent有两种设置方法,一种是将连接面定义为内边界(interior),此时应使两相邻区域共用一个面;另一种是将连接面定义为交界面(interface),此时两相邻区域分别定义一个面,但两个面的几何位置和形状必须相同。本文采用第一种方法,并将连接面定位于间隙中间面,这是因为间隙极为狭窄(通常c<015mm),选取中间面可以适当减少网格数,避免计算资源浪费。正确划分网格需要不断的尝试和比较,由于间隙小,网格尺寸较小,为减少网格数,可采用分块划分的方法,对入口和出口流道可增大网格尺寸。由于模型复杂、网格数多,故需要占用较多计算资源和较长时间,因此使计算尽快收敛变得很有意义。在实际模拟过程中发现,接近收敛时,湍动能方程和湍动耗散率方程的残差会出现周期性震荡,为解决这个问题,可适当减小松弛因子,使计算收敛。
图2 螺旋区中段速度剖面图及放大图Fig.2 Thevelocitysectionofmiddlescrewanditsamplification
212 泵内流场的基本流动特点分析图2为螺旋区中段的速度剖面图及其局部放大
・912・第2期 田国文等:迷宫螺旋泵内部流动的CFD模拟图。从图中可以看出,随转子转动的流体的速度大于定子区域的流体速度,且随转动半径的减小而增大,说明转子螺旋部分对泵工作的贡献比定子螺旋部分大。在螺旋转子螺纹槽最底部,流体速度达到最大,会对壁面形成较大冲击。螺旋转子螺纹内的流体在转子的推力作用下获得径向和周向的速度,同时腔内压力增大,在压力和流体黏性的共同作用下,螺旋定子螺纹内的流体向出口处运动。螺旋转子内的流体和螺旋定子内的流体共同作用就形成了所谓“泵送”压力,当“泵送”压力大于由出、入口压差造成的“泄漏流”时,泵便达到稳定工作状态,吸入管路的流体不断经泵体的增压获得能量往外输出。图3(a)为螺旋进口处的压力云图,部分区域出现负压,说明进口处有回流现象发生,可能引起气蚀、气吞现象,为此,可采用在入口处增加诱导轮的方法减轻气蚀和气吞现象的发生。随螺旋增长,负压逐渐消失,流体压力开始增加。图3(b)为螺旋出口处压力云图,螺旋定子螺纹内的压力高于螺旋转子螺纹内的压力,这是由于转子的高速旋转在转子螺纹内形成一定的相对低压区,这块区域速度快、压力低、湍流强度小,对所用材料和加工工艺提出了更高的要求。图3(c)为整机纵切面压力云图,从这两图可以看出随螺旋的增长,压力逐渐增大,增压效果明显。
图3 螺旋泵压力云图Fig.3 Thepressurenephogramofthescrewpump
参考文献:
[1] 韩国军,朱毅征,赵振文.迷宫2螺旋泵的原理及工作特性[J].水泵技术,1995(3):16-18.
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析[J].航空学报,1991,12(8):323-331.
[4] 王福军.计算流体动力学分析[M].北京:清华大学出版社,2004:120-123.
[5] 唐辉,何枫.离心泵内流场的数值模拟[J].水泵技术,2002(3):3-9.
Computationalfluiddynamics(CFD)simulationoftheinternalflowinalabyrinthscrewpump
TIANGuoWen ZHANGYouChen LIJingZhong(CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,BeijingUniversityofChemicalTechnology,Beijing100029,China)
Abstract:AnumericalsimulationusingtheCFDsoftwarepackagesFluentandGambithasbeencarriedoutforalabyrinthscrewpump,whichisalow2fluxandhigh2head2pressurepump.Bymeansofanalysisoftheflowchar2acteristics,includingthedistributionofvelocityandpressure,itwasdemonstratedthatasthescrewrotorveloci2tyincreasesthepressuredecreases.Fromthisitcanbeconcludedthatthescrewrotorplaysamoreimportantrolethanthestatorwhilethepumpisworking.Theresultsobtainedareofvalueinthefuturedesignandstudyofsuchpumps.Keywords:labyrinthscrewpump;Fluent;numericalsimulation
