海水离心泵CFD仿真

2018-04-03 by:CAE仿真在线来源:互联网

01项目概述

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。

02CFD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”。

图1 离心泵三维CAD示意模型

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。

图3 网格控制示意图

图4 网格剖面示意图

图5 叶轮面网格细节

03CFD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。

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。

图6 两种不同的水力设计

通过图7-8流场显示,可以看出第一种水力设计的叶轮内部,速度梯度过渡还比较平缓,表明叶轮有效做功。水流在法兰出口处存在旋涡和分离。由于管路安装限制,进出口法兰中心须在同一平面上,造成水流在离开蜗壳后不得不发生偏转,而又由于泵体的尺寸限制,出口管路和蜗壳的过渡比较剧烈,这造成了额外的水力损失。

图7 过出口法兰对称面上的流体速度

图8 三维流线

通过图9-10流场显示,可以看出第二种水力设计由于蜗壳内增加了分流板,蜗壳内的二次流现象得到一定的抑制,在大流量下,这也可以有效的减轻叶轮径向力,提高轴承寿命。出口法兰的过渡圆角改变后,此处的流动分离明显得到改善,只存在小范围的旋涡。

图9 过出口法兰对称面上的流体速度

图10 三维流线

04水力实验数据验证

将第一种水力设计的离心泵实验数据和CFD计算数据对比。需要注意的是,CFD的效率计算未考虑容积损失和机械损失,仅仅是水力效率。从对比结果看,扬程的精度较高,误差在1.8%~8%以内。效率的精度在Q=150m^3/s附近较高,最小误差≈2.4%,在小流量区域(左侧)偏低,大流量区域(右侧)偏尚,最大误差≈17%。

从以往的分析经验看,这一般符合叶轮机械cro预测的规律。在最高效率点附近,流动损失小,水流能较好的沿着叶轮流道和蜗壳型线流动,稳态MRF模型和RANS湍流模型能比较准确的分析扬程和效率的数值。当流量向着两侧移动的时候,水泵运行的工况变得恶劣,流道内出现了强烈的二次流和冲击损失。现有的数值模型不能非常准确的捕捉过度紊乱的流动现象,尤其对扭矩的预测出现较大的偏差,此时如采用更高级的湍流模型,如大涡模拟或DES模型,或采用瞬态滑移网格能提高预测精度。这会极大的增加计算时间和成本。从工程应用的角度,掌握误差的规律对设计同样具有指导意义。