多级离心泵内部流场数值模拟与节能技术研究

第28卷第10期文章编号:1000 7709(2010)10 0115 03

水 电 能 源 科 学

Vol.28No.10多级离心泵内部流场数值模拟与节能技术研究

程云章 张伟国 骆宾海 吴文权

(上海理工大学医疗器械与食品学院,上海200093)

摘要:采用计算流体力学数值模拟Flunet6.3.26分析软件,选取标准 湍流模型和SIMPLE算法模拟了D450 60 7型多级离心泵节能优化前后泵内流道三维湍流数值,并对比分析了采集实际工况运行数据。结果表明,优化后的多级离心泵叶轮和导叶内部流场分布更趋均匀合理、效率高、节约能源,与实际吻合,并验证了该软件的有效性,为改型优化提供了理论依据。

关键词:计算流体力学;数值模拟;多级离心泵;Fluent;节能优化中图分类号:TV136+.2;TH311

文献标志码:A

泵是一种广泛应用于众多领域的通用机械,据资料统计表明我国工业总用电量的20.9%是由各类泵产品所消耗。由于受制造业的技术平台与泵设计水平的限制,我国泵效率与发达国家有较大差距,约低10%[1],且较多泵在实际应用过程中处于偏工况运行,因此研究节能优化泵类产品十分有意义。

泵节能技术主要途径是提高运行控制水平和水力性能。为采用三维数值模拟D450 60 7型多级离心泵优化设计前后泵内流场规律,本文应用计算流体力学商用软件Flunet6.3.26,通过采集和分析影响泵效率的泵内速度和压力分布因素,并对比研究了计算数据与现场采集实测数据,为改型优化叶轮提供了数据支持和理论依据,为分析评价节能优化效果奠定了基础。

77.5%。每台机组每小时节电147.5kW,每年按330d计节电116.82kW h,以0.3565元/(kW h)的电费计算,每年节约电费约40万元。

首级叶轮与5个次级叶轮不同,末级叶轮与次级叶轮相同,本文选取次级叶轮作为研究对象,应用SolidWorks软件构建节能优化前后泵体和导叶模型,并使用Fluent的前处理软件Gambit剖分模型网格。针对复杂三维模型与计算区域的形状,选择适应范围较广泛的完全非结构的四面体网格单元(TGrid)进行网格剖分(图1)。优化前叶轮和导叶共计624228个网格单元,其中导叶276031个,叶轮348197个;优化后叶轮和导叶共计598016个网格单元,其中导叶276031个,叶轮321985个。对两模型进行网格等角斜率和等尺寸斜率检查结果均小于0.85,网格质量满足精确计算要求。

[3]

1 构建模型

1.1 建立物理模型与网格剖分

以D450 60 7型的脱碳多级离心泵为例。该多级泵为7级泵单元,叶轮叶片7片,导叶叶片8片,泵流量410m3/h,总扬程3.4MPa,泵转速比重现单位为1480r/min,电机配用功率850kW,泵送物质碳酸丙烯酯比重1.1198。优化设计将原叶片改为全三元高效叶片,保持原工况与叶轮安装尺寸,在导叶和泵体尺寸不变工况下要求将该多级泵的实际运行效率由60.4%提高为

收稿日期:2010 04 09,修回日期:2010 05 31

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50976071);上海理工大学博士基金资助项目(X709)

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图1 节能优化后泵和导叶的组合三维建模与计算网格Fig.1 3Dmodelandcomputationalmeshesof

optimizedpumpandvane

1.2 计算模型

针对运动固体边界的流动,模拟旋转流场时

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水 电 能 源 科 学 2010年

采用多重参考坐标系模型(MRF)[3],按定常流近似模拟,将叶轮区域设于运动坐标系,其他区域设于固定坐标系,同时求解叶轮和导叶区域,湍流模型选择标准 模型再进行离散求解。控制方程通用形式为:

++=# # # +++S(1)

x z式中, 为通用变量,可用u、v、w等求解变量替换;#为广义扩散系数;S为广义源项。

1.3 边界条件

!进口。选取入口质量流量边界条件。假定进口速度沿进口面分布均匀的前提下,由泵实际工况值Q可计算进口截面平均流速u,进口处的湍流强度为:

I=0.16(ReDH)1/8(2)

式中,ReDH为Reynolds数,通过水力直径DH计算获得。 出口。选取自由出流边界条件,流动充分发展。#壁面。叶轮与导叶的流体接触壁面采用无滑移固壁条件,在近壁区采用标准壁面函数法。

1.4 数值模拟方法

!选取有限体积法。采取隐式分离法对泵进行三维定常计算。 选用隐式分离式求解器。采用SIMPLE算法耦合压力 速度,欠松弛因子设置如下:压力值0.3,体积力值1.0,密度值1.0,湍动能值0.8,动量值0.7,湍流耗散率0.8,湍流粘度值1.0。#采用标准格式离散压力方程,采用二阶迎风格式离散动量方程、湍动能与耗散率输运方程,以欠松弛方式迭代求解。

[6][5]

[4]

图2 静压云图(y=32)(单位:Pa)

Fig.2 Contoursofstaticpressuredistribution

(y=32surface)

图3 总压云图(y=32)(单位:Pa)

Fig.3 Contoursoftotalpressuredistribution

(y=32surface)

生,而优化前该水泵实际运行已发生了汽蚀。优化调整了叶片安装角度及叶轮、叶片结构,减小了低压区(图3(b)),从而提高了叶轮与液体间的能量交换效果,改善了汽蚀性能,提高了泵效率。2.2 速度分布

图4、5分别为优化前后相对速度矢量图、导叶速度矢量图。由图可看出:!靠近叶轮进口处液体流速较低,但分布相对均匀。因叶轮旋转做功的作用,液体流速随流体从叶轮进口到出口逐步增加,受重力等因素的影响使各流道速度分布不相同。各流道流速变化趋势与理论分析相吻

2 计算结果与分析

在多级泵节能优化前后实测运行工况不变前提下,基于优化前后泵体内流场数值模拟结果,分别分析评价了速度矢量分布、压力分布、数值效率

优化前后的性能[7]。2.1 压力分布

图2、3为优化前后叶轮和导叶区静压和总压分布图。由图2可看出,叶轮内的压力分布不均匀。原因是叶轮对液体做功,从叶轮流道进口到出口液体的压力逐渐增加。优化后叶轮流道内的压力提升效果较优化前更好。由图3

可看出,优化前有明显较大面积的低压区。因水流绕叶片头部时流体加速转弯流速加快,而叶片扭曲的不合

图5 导叶速度矢量图(y=32)(单位:m/s)

Fig.5 Distributionofvelocityvectorsofwanes

(y=32surface)图4 相对速度矢量图(y=32)(单位:m/s)Fig.4 Distributionofrelativevelocityvectors

(y=32surface)

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合; 优化后流速提升效果明显好于优化前;#优化前后均有流动的漩涡和回流产生,优化后减轻,分布趋于均匀合理,泵效率提升。

2.3 效率分析

泵轴的输出扭矩M可通过Fluent软件进行数值模拟计算。效率值为:

%=

!gQH/(M&) 100%

(3)

式中,!为流体的密度;g为重力加速度;Q为流体

流量;H为扬程;&为叶轮旋转角速度[8]。

计算结果表明,优化前泵的效率约为61.4%,节能优化后泵效率约为78.2%,效率提高了16.8%,与实际优化前后运行时的效率相比提升17.1%基本吻合。

与定量分析提供了新方法,为进一步开展泵的水力设计或改型优化提供了参考。参考文献:

[1] 程云章,骆宾海,吴文权.基于CFD技术的双吸离心

泵节能技术研究[J].水力发电,2009,(4):93 96.[2] GopalakRishnanS.PumpResearchandDevelopment:

Past,Present,andFuture anAmericanperspective[J].ASMEJournalofFluidsEngineering,1999,121(2):237 247.

[3] DaiJiang,WuYulin,CaoShuliang.StudyonFlows

ThroughCentrifugalPumpImpellerbyTurbulentsimu lation[J].JournalofHydrodynamics,1997,9(1):11 23.[4] 孙玉祥.基于CFD数值分析的水泵改型设计[J].水

电能源科学,2009,27(3):165 167.

[5] 王福军.计算流体动力学分析[M].北京:清华大学

出版社,2004.

[6] 崔宝玲,朱祖超,林勇刚,等.长短叶片半开式离心

叶轮内部流动的数值模拟[J].浙江大学学报(工学版),2007,41(5):809 813.

[7] 韩凤琴,占志英,吴家声.水轮机比水能数值预测法

研究[J].水电能源科学,2008,26(3):153 155.[8] EduardoBlanco.NumericalSimulationoftheDynamic

EffectsduetoImpeller VoluteInteractioninaCentrif ugalPump[J].ASMEJ.Fluids,2002,124:348 355.

3 结语

a.基于计算流体力学数值模拟了多级离心泵节能优化前后的三维流动,获得了三维可视化流

场特征。

b.通过分析该流场特征,优化后流道内流长回流和漩涡明显减少,压力、速度、效率的提升效果明显,与实际运行工况相符合。

c.Fluent软件为多级离心泵的节能优化定性

ResearchonNumericalSimulationofInsideFlowinMultistage

CentrifugalPumpandEnergySavingTechnology

CHENGYunzhang ZHANGWeiguo LUOBinhai WUWenquan

(SchoolofMedicalInstrumentandFoodEngineeringUniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China)Abstract:Basedonthestandard turbulencemodelandSIMPLEalgorithm,three dimensionalturbulenceflowinD450 60 http://www.77cn.com.cnparedthesimulationdatawiththeactualgatheringda ta,theresultsshowthattheinnerflowfieldofimpellerandguidevaneinmultistagecentrifugalpumpiswell distributedandreasonableandtheenergylosesislesswiththeenergysavingoptimization;so,theefficiencyishigheranditiscon sistentwiththeactualoperationdata.Italsodemonstratesthattheproposedmethodiseffective,whichprovidesatheo reticalbasisforoptimizationdesignofmultistagecentrifugalpump.

Keywords:CFD;numericalsimulation;multistagecentrifugalpump;Fluent;energysavingoptimization

(上接第124页)

DecisionSupportSystemofEcologicalOperationScheduling

ofReservoirGroupinYalongRiverBasin

ZHANGXiaogang

(CollegeofHydraulicandEnvironmentalEngineering,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China)Abstract:TakingthedecisionsupportsystemofecologicaldispatchingofreservoirgroupinYalongRiverbasinforanexample,ecologicaldispatchingprinciplesofcascadedhydropowerstationsareanalyzed.Andtheeco flowcalculationmethodisusedtoestablishtheeco schedulingmodel.Thenthedecision makingmethodofecologicaldispatchingisputforwardandthedecisionsupportsystemisdiscussedbasedonthetechnologyofRIAandWebGIS.Finally,basedonB/Smode,thedistributedscalableeco http://www.77cn.com.cnandFlexBuildertechniques.

Keywords:reservoirgroup;RIA;WebGIS;eco scheduling;decisionsupportsystems;YalongRiver

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