关于离心泵流体域处理的问题总结

释放双眼,带上耳机,听听看~!

离心因为种类繁多,所以流体域也并不是千篇一律的,比如对于单级单吸离心泵,对于流体域的处理,可以是最简单的“叶轮+蜗壳+进出口段”,也可以根据实际情况考虑泵腔内的间隙流体,同时如果叶轮存在背叶片的,还需要考虑背叶片造成流体域划分的问题。对于多级泵来说,导叶水体和腔体间隙的水体会使流体域的抽取更加复杂,这个会在后面讲到,今天仅针对单级泵做一个介绍。

一、流体域抽取3种方案

1.仅考虑主要过流部件

这个最简单的方法就是分别对叶轮水体、蜗壳水体、进出口段水体进行建模或者流体域抽取,然后组装,不考虑泵腔间隙,如下图所示:

这种属于最简单的流体域模型,忽略泵腔及密封环间隙内的流体流动情况 。

优点:

  • 快速完成建模
  • 流体域划分清晰,仿真简单
  • 能够快速得到主流的流动参数,包括扬程、效率等

缺点:

  • 无法得到间隙及腔体内的流动情况 ,与真实流动存在误差

2.考虑腔体内的流体

实际流动中前后腔体内的流动也是能够影响泵的性能的,主要体现在轴向力的计算中,所以如果我们需要计算泵的轴向力或者进行强度校核,就要在前期流体域的创建中保留前后腔体(如果有平衡孔也应予以保留),使计算结果更准确。

关于前后腔的流体域,是最好建模的,通过泵体结构设计图进行旋转即可得到,因为这部分结构基本是规则的旋转体

从上图中可以看到中间黑色线条为蜗壳的基圆,基圆以下是前后腔以及叶轮的水体部分。同时这个图也直观地展现了叶轮出口与蜗壳进口基圆存在间隙,这部分流体域既可以完全划分给蜗壳,也可以一分为二,分别添加到叶轮域和蜗壳域中,这里推荐第二种方案,因为有了这部分间隙的水体后叶轮流体域可以方便快速在TurboGrid中完成高质量结构化网格划分工作。

此种方法又可以衍生出2种类型:只考虑腔体内的流体和不仅考虑腔体内流体还考虑密封环间隙内回流问题这2种,且看下图:

只考虑前后腔流体,注意interface的位置设定

考虑前后腔流体及密封环间隙流体,增加interface数量

对于介质中存在颗粒的情况,可以考虑密封环间隙的流动,以便获取更真实的流动及磨损情况,对于输送大颗粒或者高粘度的介质比如油浆泵就没有泵体口环与叶轮口环的设置,防止因为颗粒导致叶轮抱死。

3.存在背叶片的情况

如果叶轮存在背叶片,那是一定要考虑前后腔流体域了,先来看看背叶片的作用: 加背叶片后,背叶片随着叶轮旋转,并强迫带动液体旋转,使液体的旋转角度比没有背叶片时的大。由流体力学得知。此时作用在叶片后盖板上的液体的部分压力水头转化成为速度水头,从而使后泵腔的液体压力值得到下降,于是,作用在叶轮上的轴向力得到部分平衡。

前辈们根据实验得到的结论是:

离心泵的效率随着背叶片外径的增加而下降,而扬程却随着外径的增加先上升后下降。根据前面对离心泵内流场的数值模拟分析可知,造成这一现象的原因是因为背叶片为径向叶片。在工作时能起到回收部分能量的作用,使泵的扬程提高1%~2%;可如果背叶片外径大小超过一定的比例(叶轮外径的80%左右),背叶片对流体的水力冲击损失会超过回收的能量值,反而造成扬程下降。一般来说,背叶片结构还会使泵的效率下降2%~3%,甚至更多,这是因为它所回收的能量不及它消耗的能量大。

回到正题,背叶片是附着在叶轮上随着叶轮一起旋转的,所以背叶片所在的流体域也是旋转域,且运动属性与叶轮相同,剩余部分腔体流体的流动情况未知,所以对于这种情况该如何正确划分流体域变得尤为重要,关于此部分内容,我们可以看一下中国农业大学王福军老师的文章,通过实验对比不同划分方式下模拟结果与真实值的对比,如下所示:


最终得到的结论是按照最后一种方案得到的结果方案V更符合实际的物理流动状态,根据此种方案,小丫在最近的模拟中利用此方法进行了流体域处理

将背叶片流体域与叶轮流体域合并,将前泵腔除背叶片外的流体域与蜗壳水体合并,同时对蜗壳流体域进行适当切割创建与叶轮配对的interface,这里需要注意:

对于多个面组成的interface对,建议单独面一对一创建interface,这样划分的网格不会出现left hand问题。(当然这只是我自己的拙见!)

二、选取方法

害,这个嘛老板叫你看性能你就用方法1,叶轮存在背叶片只能按照方法3,其他情况就选方法2,虽然工作量大、网格数量会增加,流态会变得复杂,但是相较泵内真实的流态这已经很大程度简化了。

三、参考文章

这里贴上王福军老师关于流体域切分的文章:

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4 条回复 A文章作者 M管理员
  1. 辛苦告别疾病

    我觉得如果时间充分的话,先用简单模型算,在此基础上再考虑间隙类型的。
    仿真的模型参数和工况参数可以依照某个经典试验去做,好对比

  2. 一2406

    站主,我现在叶轮出口没有形成一个整面,而是6个面,配合的interface面也是6个面,间隙都考虑了,这样仿真结果可信度有多少

    • 泵小丫

      你这种也能行,可信度这个需要和实验做对比,不是我能判断的😂

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