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    新型自吸離心泵數值模擬及試驗研究

    來源:博山東方水泵    發布時間:2019-02-13 11:08    瀏覽量:

      新型自吸離心泵數值模擬及試驗研究馬棟棋(福建省機械科學研究院,福建福州350005)值模擬,對泵內部流場的速度矢量、靜壓、總壓分布及流動規律進行分析,預測了泵的效率,并與試驗結果比較。數值模擬結果表明:帶導流器的射流式自吸離心泵的內部流場速度矢量分布趨于平穩,新型導流器的兩個出口壓力分布均勻,各流道內的壓力近似對稱分布,泵在設計點數值模擬計算揚程比試驗揚程提高6.9,數值模擬計算效率比試驗效率提高0.5,數值模擬預測的性能曲線與試驗性能曲線趨勢一致。試驗結果表明:帶導流器的射流式自吸離心泵的性能曲線穩定、平坦,高效率區范圍寬,各項技術指標滿足設計要求,該泵的效率比國外同類型相同參數泵的效率提高了16.34,同時泵體采用鋁合金壓鑄,大幅度減輕了泵的重量,降低了泵的成本,設計合理,結構新穎,體積小,重量輕,運行可靠,操作方便。

      基金項目:福建省工商發展資金技術創新項目(閩經貿計財2010排灌機械工程學報自吸離心泵是節水灌溉系統的關鍵設備,廣泛應用于各種苗圃、菜園和草坪灌溉,也可用于城市綠化、降溫除塵、建筑供水以及漁業捕撈領域。節水灌溉系統中的自吸離心泵性能的優劣、運行的可靠性及適應性對節水灌溉技術的發展有重要意義,也是發展現代農業生產的關鍵設備。傳統自吸離心泵結構復雜,效率低,泵體大多為鑄造工藝,比較笨重。帶導流器的射流式自吸離心泵制造采用鋁合金壓鑄工藝,鑄件外觀質量有明顯提升,大幅度減小了泵的質量,降低了泵的成本,提高了泵的效率,其結構簡單,體積小,操作方便。

      文中采用計算流體動力學技術,對新型的自吸離心泵內部流場進行定常數值計算,以預測其性能、減少設計工作環節及試制成本,有效縮短新品研發周期,并為新型自吸離心泵的設計提供一定的理論依據。

      1計算模型與邊界條件1.1泵的性能參數-4.0Q新型自吸離心泵采用半開式葉輪及導流器結構,導流器前蓋板與半開式葉輪葉片流線間隙為0.5mm.泵的性能參數分別為流量Q=18m3 /h,揚程H 1.2計算區域及計算方法為采用Pro/E三維造型軟件對泵的全流場計算區域進行的分塊建模。在建模過程中考慮到葉輪高速旋轉時對泵入口速度分布有干擾作用,會導致后續數值模擬過程中過早的數值擴散,故將泵的入口段適當延伸。為保證出口處的流場狀態符合預設出口條件的要求,將泵出口段進行適當延伸。

      新型自吸離心泵結構全流場模型Fig.1Wholeflowfieldmodelofnew為了提高數值模擬的準確性,同時考慮對計算機硬件的要求,采用非結構化網格劃分模型。進口、s彎管、葉輪、后腔、導流器、離心泵體、出口等各過流部件網格尺寸分別采用5.0,2.5,1.2,1.8,2.5,4.2,5.0mm,相應的網格數分別為119計算采用多重坐標系模型進行計算,使用SIMPLE算法實現壓力和速度的耦合求解。湍流模型選取標準k -模型,計算精度為10-4.采用速度進口邊界條件,即在進水嘴進口處根據流量給定速度值;入口湍流取值按水力直徑大小及湍流強度給定。出口邊界條件設為自由出流形式。

      對近壁面區域非充分發展的湍流流場采用標準壁面函數進行處理,壁面采用無滑移邊界條件。

      1.3泵外特性預測原理在Fluent軟件中,流場中某一點的總壓定義為使用Fluent軟件中面積分的功能,求出離心泵進、出口的總壓。根據伯努利方程計算出離心泵的揚程,即葉輪出口與葉輪進口在垂直方向上的距離。

      使用Fluent軟件中力矩報告功能,求出葉輪對旋轉軸的力矩M',則數值計算中的葉輪輸入功率為2計算結果分析2.1泵內部流場分析選取葉輪體前端面(相當于導流器前蓋板的內壁面)為參照面,沿葉輪進口方向做水平移場,移場距離用Z表示,計算得到不同Z值時曲面上的速度矢量分布,如所示??梢钥闯觯涸赯 =0mm變化到Z=0.5mm的過程中,葉輪體內的速度矢量分布有明顯的變化,由水體壁面環形的速度分布趨于均勻的星形分布,曲面外緣的高速區明顯地變小;Z =0.5mm時高速區分布在葉輪出口處的局部區域。在靠近導流器出口的區域,出現明顯的低速區;在導流器前蓋板與半開式葉輪葉片流線之間的速度矢量分布變化較大,而在葉輪內速度分布趨于平穩;在z =1.0mm變化到Z=6.0mm的過程中,速度矢量的分布更加均勻并且趨于平穩,葉輪出口處的高速區以及導流器出口附近的低速區變化很小。

      速度矢量分布為泵內靜壓分布云圖,可以看出:葉輪中靜壓沿半徑方向增大,導流器出口附近區域為高壓區;導流器兩個出口的結構使葉輪內的壓力分布更趨于均勻,各流道內的壓力近似對稱分布。

      壓不斷增大,在葉輪出口其總壓達到極大值;在流體流入導流器過程中,動能不斷轉換為壓力能,其中伴隨著能量損失,總壓出現較大的變化梯度。

      2.2泵水力模型的試驗研究新型自吸離心泵的試驗按國家標準GB/T3216―2005回轉動力泵水力性能驗收試驗1級和2級及機械行業標準B/T6664.3―93自吸泵自吸性能試驗方法進行。

      將定常計算得到的泵揚程、效率曲線與試驗性能曲線進行對比,如所示。

      泵外特性預測與試驗的對比靜壓分布為泵內總壓分布云圖。

      總壓分布由可以看出:在導流器及半開式葉輪中,總壓從進口向出口逐漸增大,葉輪外緣在靠近導流器出口附近,總壓有較大的極值區,同時總壓的變化梯度也較大;流體由葉輪進口流至葉輪出口過程中總由可以看出:揚程隨著流量的增大而減小,效率隨著流量的增大先增后減,這一規律與試驗結果吻合;泵在設計工況點預測揚程為36. 57m,試驗揚程為34.21m,預測揚程比試驗揚程高6.9;預測效率為55. 56,試驗效率為55.29,預測效率排灌機械工程學報比試驗效率提高0. 5,而在大流量工況下誤差較大。由于計算的造型誤差、網格質量以及計算模型等因素都對結果有定的影響,因而誤差是無法避免的08.從整體上看,數值模擬預測的揚程、效率曲線與試驗的揚程、效率曲線變化趨勢基本致,因而新型自吸離心泵的數值模擬結果是可靠的9.由于50SZB35-L0Q新型自吸離心泵采用半開式葉輪及導流器結構,同時泵體采用鋁合金壓制,大幅度減輕了泵的重量,降低了泵的成本。對比同類型相同參數的泵(見表1),50SZB35~4. 0Q新型自吸離心泵比本田泵50QBZ35-4.9型自吸離心泵(本田泵)額定點效率提高了16.34.泵的試驗結果表明:泵的性能曲線穩定、平坦,高效率區范圍寬,使用工況佳。研制成功的新型自吸離心泵是普通自吸離心泵的更新換代產品。

      表1同類型相同參數泵的性能比較模型泵本田泵標準值實測值3結論在導流器前蓋板與半開式葉輪葉片流線之間的速度矢量分布變化較大,而在葉輪內速度分布趨于平穩。導流器兩個出口的結構使葉輪內的壓力分布更加均勻。泵在設計點數值模擬計算揚程比試驗揚程提高6.9,數值模擬計算效率比試驗效率提高0.5,數值模擬預測的揚程、效率曲線與試驗的揚程、效率曲線變化趨勢一致。

      新型自吸離心泵采用鋁合金壓鑄,大幅度減輕了泵的質量,降低了成本;其設計合理,結構新穎,體積小,運行可靠,操作方便,是普通自吸離心泵的更新換代產品,并且擁有自主知識產權。

      新型自吸離心泵性能曲線穩定、平坦,高效率區范圍寬,各項技術指標滿足設計要求。50SZB35- 4.0Q新型自吸離心泵的效率比50QBZ35-L9型自吸離心泵(本田泵)效率提高了16.34.該泵的研制成功為自吸離心泵提供了技術支持,而且作為一種高效節水灌溉設備,具有廣闊的市場,將大幅提升我國自吸離心泵產品在國際市場上的競爭力。

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