漩涡泵内部流动CFD仿真分析文献综述

2020-04-15 16:54:03

1．目的及意义

1、研究目的及意义

旋涡泵又称侧流道泵、再生泵、摩擦泵等, 与尺寸、转速相同的离心泵相比, 旋涡泵结构紧凑, 具有陡降的特征曲线, 在小流量工况下能达到较高扬程, 近年来被越来越多地应用于航空航天和医疗等高端领域。但旋涡泵的缺点是效率较低, 因此对旋涡泵内部流动机理深入研究, 找到提高水力性能的途径是目前研究的重点方向之一^[1~3]。当比转速小于40时, 单级旋涡泵的扬程与相同流量的多级离心泵相当, 但效率一般只有10%~40%, 其中Crewdson在1956年报道, 将旋涡泵吸力面倒圆, 并将压力面出口角变为135°时, 能使旋涡泵效率达到50%^[4]。

与离心泵中的流体只通过一次叶轮通道不同, 旋涡泵中的流体进入泵体后要反复流经叶轮根部-叶轮尖部-外流道-下一级叶轮根部, 每次循环都会经历一次压缩过程。1955年Wilson等基于对泵内任意流动控制体的几条假设提出了一种旋涡泵内流动的简化理论模型 [5], 并以此预测了旋涡泵内的三维流动和外特性。Iversen从叶轮对流体施加剪切力的角度分析了旋涡泵的特性, 从流动截面的受力平衡推导出了特性预测方程 [6]。J WSong等基于5个合理假设提出了一种修正的一维旋涡泵动力学理论, 且该理论预测值与试验和CFD结果符合较好 [7]。Meakhail以数值计算的结果为假设前提, 认为前人关于流体在叶轮内通道的流动假设不合理, 根据循环速度和周向速度推导出了新的旋涡泵性能预测公式 [8]。通过与旋涡泵试验数据对比, J Nejadrajabali等采用了数值模拟方法来预测不同几何参数对弯叶片旋涡泵的外特性影响 [9]。Quail,J Francis等基于旋涡泵内部流动的六大假设推导了一维性能预测公式, 通过与CFD计算和试验结果对比有较理想的结果 [10]。在国内, 施卫东等通过数值模拟方法验证了流道截面形状对旋涡泵内部流动的影响 [11]。董颖等通过对旋涡泵内部流场的数值模拟结果的分析, 认为径向旋涡确实存在 [12]。沙毅通过数值计算证实旋流泵叶轮流道内存在轴向旋涡, 旋涡的非定常流动导致了能量耗散, 这是泵效率偏低的主要原因 [13]。

目前对旋涡泵的研究集中在旋涡泵的外特性预测和结构优化, 对于旋涡泵内部流动机理的研究尚不够深入。本文在前人研究的基础上, 对某型旋涡泵进行CFD仿真, 以求找出旋涡泵内纵向旋涡与旋涡泵外特性参数的内在联系

1.1国外研究现状

首先对旋涡泵进行研究工作的是德国科学家里台尔^[14]出旋涡泵工作过程假说:流道中的转动液体每一质点上均有离心力, 由于流道中液体的圆周速度比叶轮中慢, 产生的离心力不同, 所以叶轮内的液体上所作用的离心力要比流道中液体上所作用的离心力大, 引起了液体的圆环形运动 (称为纵向旋涡) .工作介质依靠纵向旋涡在流道内流经叶轮好几次, 每经过一次叶轮, 扬程就增加一次.因此, 旋涡泵的扬程高于离心泵的扬程. 里台尔的假说是对旋涡泵工作原理进行研究的基础.在此基础上, 后来的学者把旋涡理论发展为纵向旋涡加径向旋涡理论^[15]

1932年德国学者希米德亨和苏联的学者们几乎同时用动量交换假说来解释旋涡泵工作过程中大量的能量损失。

另外, 有日本学者认为, 旋涡泵的工作过程是依靠叶轮的粗糙表面, 对流道内的流体作相对运动引起的摩擦剪切应力实现的.叶轮外缘“粗糙度”越大, 作用于液体的摩擦力越大, 泵扬程越高.径向小叶片与流道内的液体相对运动产生紊流摩擦力, 从而把原动机的能量传递给流道内的液体.叶轮上的叶片在流道内多次重复产生较大紊流摩擦力, 因此旋涡泵具有较高的扬程^[16]因而旋涡泵也称为摩擦泵. 目前, 对于旋涡泵工作原理的解释还是集中为两大类:一是摩擦湍流原理, 二是动量交换原理.

1.2国内研究现状

在国内, 旋涡泵研究起步较晚, 其工作原理研究已经形成了两大解释.且研究旋涡泵的学者很少, 因此对工作原理的研究没有很大发展. 国内浙江大学的朱祖超^[17]对旋涡泵和高速旋涡泵的设计进行了大量研究, 建立了以效率和工作范围为主线的小流量旋涡泵的理论设计方法, 通过实验分析, 表明较大的流道面积可以拓宽泵的工作范围, 较大的径向间隙和轴向单边间隙会降低泵的扬程和效率, 并且研制了轴向入口旋涡泵.浙江理工大学的谢鹏^[18]采用加大流量法对小流量高扬程离心旋涡泵进行了水力设计, 提高了样泵的抗汽蚀性能.合肥通用机械研究院的陈世亮^[19]屏蔽式旋涡泵并进行了试验研究.屏蔽式旋涡泵没有泄漏, 运行平稳, 增加了旋涡泵的应用范围. 如前所述, 旋涡泵的流道形状有圆形、梯形、矩形等, 流道位置又可分为外围流道、外围双侧流道、外围单侧流道、双侧边流道和单侧边流道等.叶轮也分为闭式叶轮、开式叶轮以及新型的半开式叶轮.不同叶轮和不同流道组合的旋涡泵的种类就非常多了, 系统地实验研究全部类型旋涡泵的不同特性是一个工作量巨大的工程, 所以国内外学者对旋涡泵的实验研究都是针对某一方面展开的, 主要是通过对影响旋涡泵性能的过流部件进行研究, 以得到较为理想的设计参数和设计方法.国外学者对旋涡泵叶片的造型作了系统实验^[20,21,22], 某些泵当叶片受压面 (正面) 的出口角约为135°, 同时把吸力面 (背面) 的叶片边倒圆, 使其形成尖的叶片尖端时, 泵的效率可达到50%, 比普通叶片造型的旋涡泵的高出了许多.Meakhail^[23]提出了一个新的理论模型, 并根据此模型设计了一种带扭曲叶片的叶轮, 明显提高了旋涡泵的扬程和效率.

在国内, 江苏大学的沙毅^[24]等提出利用数值分析方法拟合出闭式旋涡泵叶轮直径、叶片数及流道面积的经验系数水力计算公式.郑州大学的张明成^[25]等通过对旋涡泵中叶轮与泵体间动压场的研究, 并根据侧隙泄漏量和功率损耗量,研究得到了叶轮与泵体之间的最佳间隙取值范围.

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2. 研究的基本内容与方案

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2.（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

2.1研究内容

本论文主要研究内容包括：利用流体动力学CFD方法，为旋涡泵模型划分网格，在Fluent软件中设定相应流体参数，选择相应的湍流模型，利用Fluent的分析能力绘制压力场，速度场等参数的图表，根据所得数据研究旋涡泵的内部流动的状态，分析研究进口压力，出口压力等参数对旋涡泵性能的影响。采用CFD技术对旋流泵内部流动进行测试和分析, 揭示其内部流动的规律, 为理论研究提供可靠的实验依据.以实验数据为依据, 针对旋涡泵特殊工作原理以及多种结构型式, 对影响旋涡泵性能的过流部件进行优化设计, 提高旋涡泵的效率, 完善旋涡泵的理论设计方法

2.2研究目标

通过对旋涡泵内部流动的仿真分析深入了解计算流体动力学，学会相关CFD软件的使用，深化对旋涡泵的了解，研究旋涡泵内部流体的流动状态，分析研究进出口压力等参数对泵的性能的影响，为旋涡泵的设计管理提供理论指导。

2.3技术方案及措施

（1）建立旋涡泵的三维模型；

（2）为旋涡泵模型划分网格并检查网格无关性；

（3）在Fluent软件中定义或寻找所需要研究的流体，选择相应的湍流模型；

（4）在不同的界面设置研究流体的物理参数，例如压力，温度，速度或者是接触的外界温度与压强；采用CFD数值计算的方法对旋涡泵进行全流道模拟，将模拟结果与已知实验结果进行对比，验证数值模拟的准确性。并且分析不同切割方案对旋涡性能及内部流场的影响。

（5）改变相应参数并绘制图表，研究进出口压力等参数并分析对泵的性能的影响。

3. 参考文献

4.阅读的参考文献

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