混流泵內部流動不穩(wěn)定特性的數值模擬

2013-10-11 黎義斌蘭州理工大學能源與動力工程學院

　　為了研究小流量工況下混流泵內存在的不穩(wěn)定流動特性，基于大渦模擬亞格子尺度模型與滑移網格技術，對包括進口管和出口彎管的混流泵全流場進行三維非定常湍流計算.外特性試驗結果表明，在60%～85%最優(yōu)工況范圍內，揚程-流量特性曲線呈正斜率特性.數值模擬結果與試驗結果誤差控制在4%內，表明大渦模擬可以準確預估混流泵存在的揚程-流量正斜率不穩(wěn)定特性.在此基礎上，分析了混流泵產生正斜率不穩(wěn)定特性的內流機理.分析結果表明，在小流量工況下葉輪入口切向速度呈明顯的非對稱性，葉輪與導葉流道內液流的失速效應使葉輪葉片表面和導葉葉片入口輪轂側存在大尺度的旋渦結構.導葉流道內旋渦尺度較大，壓力脈動沿導葉軸向呈明顯的周期性波動，使旋渦區(qū)域從吸力面?zhèn)戎饾u擴展到導葉流道，旋渦結構的渦核附著在壓力脈動最小值的導葉吸力面中間葉高區(qū)，且渦核旋向與葉輪旋向相同.

　　導葉式混流泵(以下簡稱混流泵)的比轉數通常為300～600，是一種結構和性能介于離心泵和軸流泵之間的泵型，其應用范圍已逐漸向傳統(tǒng)的離心泵和軸流泵領域拓展.由于混流泵具有結構緊湊、易啟動以及效率高等突出優(yōu)點，使其在海水淡化裝置、電廠水循環(huán)、噴水推進系統(tǒng)和核電站冷卻劑循環(huán)系統(tǒng)等領域具有廣泛的應用前景.

　　混流泵內非定常壓力脈動是引起機組振動及噪聲的主要原因之一.近年來，隨著混流泵機組的應用越來越廣泛，混流泵水力激振等影響機組穩(wěn)定運行的問題越來越突出.基于試驗方法研究混流泵內部流動成本高、周期長且具有滯后性，隨著計算流體動力學的迅速發(fā)展，CFD數值模擬技術在水力機械內部三維湍流數值模擬得到廣泛的應用.混流泵內部湍流數值模擬廣泛采用雷諾時均法，但對于非定常問題，時間平均的雷諾方程和湍流模型在理論上存在一定缺陷，而大渦模擬(largeeddysimulation，LES)在求解水力機械內非定常流動的壓力脈動方面被證明具有特殊的優(yōu)勢.

　　目前國內外學者采用大渦模擬亞格子湍流模型、雷諾時均法和試驗測量的手段，通過選取不同特征點監(jiān)測壓力脈動的動態(tài)特性，分析設計工況和非設計工況下混流泵內非定常流動特性.為了研究小流量工況下混流泵內部流動與不穩(wěn)定性之間的關系，潘中永等，Miyabe等通過CFD數值模擬，分析小流量工況下沿導葉入口到葉輪出口的大尺度二次回流及旋渦流動現象，闡明了混流泵鞍形揚程-流量特性曲線的揚程驟降和上升形成機理.另外，邴浩等通過CFD數值模擬，闡明葉輪及導葉幾何參數及其匹配特性對混流泵性能的影響機制，可有效提高混流泵機組的水力性能.與大渦模擬相比，標準k-ε湍流模型及SSTk-ω湍流模型能夠較為準確地模擬非設計工況下泵內部流動平均速度場的基本特征.因為PIV試驗結果是統(tǒng)計平均值，且流場測量過程存在不連續(xù)性，因此PIV試驗將小尺度的渦平滑化，使得基于雷諾時均法的數值計算結果更接近于PIV實測結果，而LES方法可捕捉到小尺度渦的湍流分布規(guī)律，其計算結果更接近實際流動狀態(tài).這是導致PIV試驗結果與大渦模擬計算結果產生偏差的主要原因.

　　文中應用大渦模擬對混流泵內部全流場進行三維非定常計算，并將外特性性能預估結果與試驗結果對比以驗證數值方法的正確性，并在此基礎上分析導葉流道內不同特征截面上的壓力分布規(guī)律.

1、混流泵非定常計算

　　1.1、大渦數值模型

　　大渦模擬將比網格尺度大的渦團通過瞬時Navier-Stokes方程直接計算，而小尺度渦對大尺度渦運動的影響通過一定的模型在瞬時Navier-Stokes方程中體現.因此需要建立數學濾波函數，以便從湍流瞬時運動方程中將尺度小的渦濾掉，形成大渦模擬運動方程.采用的濾波函數為

混流泵內部流動不穩(wěn)定特性的數值模擬

　　式中:x為濾波后的大尺度空間上的空間坐標;x'為實際流動區(qū)域中的空間坐標;V為控制體積所占幾何空間的大小;v為控制體所在的計算域.亞格子應力是過濾掉的小尺度脈動和可解尺度湍流間的動量輸運.要實現大渦模擬，構造的亞格子應力的封閉模式為

　　大渦模擬計算的關鍵是如何表示上述應力，即如何選取或構造亞格子尺度應力模型.文中采用Smagorinsky-Lilly亞格子尺度模型，Smagorinsky常數CS=0.1，其被證明適合大多數流動情況.采用有限體積法對瞬態(tài)控制方程進行離散，非耦合隱式方式進行求解，對流項離散采用二階迎風格式，壓力項離散采用對高雷諾數的高速強旋流更有效的PRESTO差分格式，壓力和速度的耦合求解采用適于非定常計算的PISO算法.

　　1.2、混流泵幾何模型

　　選取一臺比轉數ns=543的混流泵模型，其主要設計性能參數為流量Qd=490L/s，揚程Hd=9.5m，轉速n=1480r/min.混流泵的主要幾何參數為葉輪出口最大直徑D2=290mm，吸入室直徑d=220mm，葉片數Z=4，導葉葉片數Zg=7.圖1為混流泵計算區(qū)域及導葉特征截面示意圖.

混流泵計算區(qū)域及特征截面