基于Fluent的含沙水流条件下离心泵空化试验方法技术

基于Fluent的含沙水流条件下离心泵空化试验方法，为了解决目前采用试验台对离心泵进行含沙水流条件下的空化试验时，存在操作复杂，试验周期长以及试验成本高的问题，通过利用Fluent软件中的湍流模型、多相流模型以及空化模型，以及对相关模型进行优化选择和设置，并通过调整沙粒特征参数和试验工况条件从而获得不同含沙水流工况下离心泵的空化余量和扬程。采用本发明专利技术对离心泵进行含沙水流条件下的空化试验不仅操作简单，试验周期短而且可以避免采用试验台进行含沙水流空化试验过程中对试验台设备和离心泵的破坏，从而降低试验成本。

Cavitation test method of centrifugal pump under sand laden flow condition based on Fluent

In order to solve the problem of complicated operation, long test cycle and high test cost in order to solve the cavitation test under the condition of sediment laden flow under the condition of the test bed, the method of cavitation test under the condition of sand flow under the condition of Fluent is used. The turbulence model, the multiphase flow model and the space in the Fluent software are used. The model is optimized and the related models are optimized and set up. The cavitation allowance and lift of the centrifugal pump under the conditions of different sediment laden flow conditions are obtained by adjusting the characteristics of the sand grain and the conditions of the test conditions. The cavitation test under the condition of sand flow in the centrifugal pump is simple, the test period is short and the test bed can be avoided to destroy the equipment and centrifugal pump in the process of the sand flow cavitation test, thus reducing the cost of the test.

【技术实现步骤摘要】
基于Fluent的含沙水流条件下离心泵空化试验方法
本专利技术涉及含沙水流条件下离心泵空化试验领域，具体涉及一种基于Fluent的含沙水流条件下离心泵空化试验方法。
技术介绍
自然界中的河流大多都含有一定量的泥沙，运行在含沙水流条件下的水利机械，必然面临着空蚀与磨蚀的问题。由于泥沙的作用会对水利机械的空化产生影响，而空化的发生又影响着泥沙磨损对水利机械的破坏。因此，运行在含沙水流条件下的离心泵将受到空蚀与磨蚀的联合破坏作用，而且沙粒的特性对空蚀与磨蚀的影响程度也紧密相关。因此，进行含沙水流条件下的离心泵空化试验研究具有更重要的现实意义。目前，对离心泵进行含沙水流条件下的空化试验主要是通过固液两相流试验台对含沙水流的空化流动进行研究试验，通过检测到的试验数据，例如离心泵的进口总压力，进口静压力以及出口总压力等参数可以计算获得离心泵的空化余量和扬程；还可以通过观察离心泵叶轮受到空蚀的破坏程度和破坏部位，进一步研究沙粒对离心泵空化的影响。然而，在采用试验台对离心泵进行含沙水流条件下的空化试验过程中，不仅需要对试验台设备进行重复的启动和暂停操作，增加了试验操作的复杂性和试验周期，而且水流中的沙粒会对离心泵以及试验台设备造成一定程度的破坏，使得试验成本大大提高。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决目前采用试验台对离心泵进行含沙水流条件下的空化试验时，存在操作复杂，试验周期长以及试验成本高的问题。本专利技术基于Fluent的含沙水流条件下离心泵空化试验方法，其步骤为：(1)在Fluent中设置湍流模型和多相流模型，所述多相流模型选用Mixture模型，并且设置相数为2，其中主相为清水，次相为沙粒；设置清水进口速度、沙粒粒径、沙粒体积分数以及沙粒进口速度，其中沙粒进口速度与清水进口速度设置相同；设置离心泵的转速和离心泵的出口状态，其中离心泵的出口为自由出流；(2)在工作压力为标准大气压的条件下，模拟含沙水流条件下离心泵的非空化流动，并使离心泵的非空化流动运行稳定；(3)将所述Mixture模型中的相数调整为3，其中主相为清水，次相分别为沙粒和水蒸汽；设置空化模型，将相间质量转换为：主相为清水，次相为水蒸汽；设置水蒸汽进口速度，使水蒸汽进口速度与清水进口速度相同；(4)设置离心泵的出口压力，并在工作压力为0的条件下，模拟含沙水流条件下离心泵的空化流动，获得离心泵的空化余量和扬程。与采用试验台进行含沙水流条件下离心泵的空化试验相比，采用本专利技术基于Fluent的含沙水流条件下离心泵空化试验方法具有以下有益效果：1、通过采用Fluent软件进行含沙水流条件下离心泵的空化试验，不仅可以减少采用试验台进行试验时对试验台设备的安装和调试操作，从而提高操作的便捷性；而且还可以减少在试验过程中进行试验参数调整时对试验台的重复启动和暂停时间，从而简化试验的操作，缩短试验的周期。2、在采用Fluent软件进行含沙水流条件下离心泵的空化试验过程，通过对变量参数的单独调整，可以准确、快速的实现针对不同工况下的试验。这样可以避免在采用试验台进行空化试验过程中，由于设备运行的问题而引起部分恒定参数的波动变化，例如离心泵转速，介质进口速度等参数，从而保证了试验过程的稳定性以及获得试验数据的准确性。3、由于本专利技术采用Fluent软件进行含沙水流条件下离心泵的空化试验，从而避免了在采用试验台进行含沙水流条件下离心泵空化试验时，由于水流中沙粒的存在而对离心泵和试验台设备的破坏，从而大大降低了试验成本。附图说明图1为实施例1中含沙水流条件下离心泵的空化余量和扬程的函数曲线，图2为实施例2中含沙水流条件下离心泵的空化余量和扬程的函数曲线，图3为实施例3中含沙水流条件下离心泵的空化余量和扬程的函数曲线，图4为实施例1中叶轮内的流场结构云图，图5为实施例2中叶轮内的流场结构云图。具体实施方式本专利技术基于Fluent的含沙水流条件下离心泵空化试验方法，其步骤为：(1)在Fluent中设置湍流模型和多相流模型，所述多相流模型选用Mixture模型，并且设置相数为2，其中主相为清水，次相为沙粒；设置清水进口速度、沙粒粒径、沙粒体积分数以及沙粒进口速度，其中沙粒进口速度与清水进口速度设置相同；设置离心泵的转速和离心泵的出口状态，其中离心泵的出口为自由出流；(2)在工作压力为标准大气压的条件下，模拟含沙水流条件下离心泵的非空化流动，并使离心泵的非空化流动运行稳定；(3)将所述Mixture模型中的相数调整为3，其中主相为清水，次相分别为沙粒和水蒸汽；设置空化模型，将相间质量转换为：主相为清水，次相为水蒸汽；设置水蒸汽进口速度，使水蒸汽进口速度与清水进口速度相同；(4)设置离心泵的出口压力，并在工作压力为0的条件下，模拟含沙水流条件下离心泵的空化流动，获得离心泵的空化余量和扬程。优选的，本专利技术还包括第(5)步骤，保持水蒸汽进口速度与清水进口速度相同，逐渐降低离心泵的出口压力，从而获得不同出口压力下的空化余量和扬程。进一步优选的，根据获得的不同出口压力下的空化余量和扬程，拟合出含沙水流条件下离心泵的空化余量和扬程的函数曲线。优选的，所述第四步中的离心泵的出口压力为所述第二步中离心泵在非空化流动运行稳定时离心泵的出口压力。优选的，所述湍流模型选择为RNGk-ε模型，并且选择标准壁面函数进行边界层流动的处理，并依据公式(1)与(2)对湍流粘度进行修正，n取值为10。f(ρm)＝ρv+[(ρm-ρv)/(ρl-ρv)]n(ρl-ρv)(2)。优选的，所述空化模型选择为Schnerr-Sauer模型，并将此空化模型的空泡数密度设置为3e+14。优选的，在所述第(1)步骤和第(2)步骤中设定相间滑移速度。优选的，调整所述第一步中沙粒粒径尺寸和沙粒体积分数，并重复第一步至第四步的操作，从而获得在不同沙粒粒径和不同沙粒体积分数下离心泵的空化余量和扬程。进一步优选的，所述沙粒粒径分别为0.005～0.010mm。进一步优选的，所述沙粒体积分数分别为1.0％～1.5％。本专利技术通过采用Fluent软件对含沙水流条件下的离心泵进行空化试验，替代目前采用试验台进行含沙水流条件下的离心泵空化试验，不仅可以对试验过程中的操作进行简化并获得相关的试验数据，而且可以避免采用试验台进行试验时沙粒对离心泵和试验台设备造成的破坏，从而大大减低试验成本。实施例1，在沙粒粒径为0.010mm，沙粒体积分数为1％的含沙水流条件下，进行离心泵的空化试验：第一步：在Fluent软件中设置湍流模型和多相流模型。其中，在本实施例中湍流模型选用RNGk-ε模型，并且选择标准壁面函数进行边界层流动的处理。多相流模型选用Mixture模型，并且设置相数为2，其中主相为清水，次相为沙粒，并设置清水的进口速度和沙粒的进口速度相同且为4.87m/s，沙粒粒径为0.010mm，沙粒体积分数为1％。此时，清水与沙粒的混合密度为1014.72kg/m3。此外，由于清水密度(998.2kg/m3)与沙粒密度(2650kg/m3)的不同而使清水和沙粒在运动过程中存在速度差，因此进一步选择设置相间滑移速度。设定离心泵的转速为1480rpm，以及离心泵的出口状态采用自由出流。第二步：在工作压力设定为标准大气压的条件下，运行Fluent进行模拟含沙水流条本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于Fluent的含沙水流条件下离心泵空化试验方法，其特征在于，其步骤为：(1)在Fluent中设置湍流模型和多相流模型，所述多相流模型选用Mixture模型，并且设置相数为2，其中主相为清水，次相为沙粒；设置清水进口速度、沙粒粒径、沙粒体积分数以及沙粒进口速度，其中沙粒进口速度与清水进口速度设置相同；设置离心泵的转速和离心泵的出口状态，其中离心泵的出口为自由出流；(2)在工作压力为标准大气压的条件下，模拟含沙水流条件下离心泵的非空化流动，并使离心泵的非空化流动运行稳定；(3)将所述Mixture模型中的相数调整为3，其中主相为清水，次相分别为沙粒和水蒸汽；设置空化模型，将相间质量转换为：主相为清水，次相为水蒸汽；设置水蒸汽进口速度，使水蒸汽进口速度与清水进口速度相同；(4)设置离心泵的出口压力，并在工作压力为0的条件下，模拟含沙水流条件下离心泵的空化流动，获得离心泵的空化余量和扬程。

【技术特征摘要】
1.基于Fluent的含沙水流条件下离心泵空化试验方法，其特征在于，其步骤为：(1)在Fluent中设置湍流模型和多相流模型，所述多相流模型选用Mixture模型，并且设置相数为2，其中主相为清水，次相为沙粒；设置清水进口速度、沙粒粒径、沙粒体积分数以及沙粒进口速度，其中沙粒进口速度与清水进口速度设置相同；设置离心泵的转速和离心泵的出口状态，其中离心泵的出口为自由出流；(2)在工作压力为标准大气压的条件下，模拟含沙水流条件下离心泵的非空化流动，并使离心泵的非空化流动运行稳定；(3)将所述Mixture模型中的相数调整为3，其中主相为清水，次相分别为沙粒和水蒸汽；设置空化模型，将相间质量转换为：主相为清水，次相为水蒸汽；设置水蒸汽进口速度，使水蒸汽进口速度与清水进口速度相同；(4)设置离心泵的出口压力，并在工作压力为0的条件下，模拟含沙水流条件下离心泵的空化流动，获得离心泵的空化余量和扬程。2.根据权利要求1所述的基于Fluent的含沙水流条件下离心泵空化试验方法，其特征在于，还包括第(5)步骤，保持水蒸汽进口速度与清水进口速度相同，逐渐降低离心泵的出口压力，从而获得不同出口压力下的空化余量和扬程。3.根据权利要求2所述的基于Fluent的含沙水流条件下离心泵空化试验方法，其特征在于，根据获得的不同出口压力下的空化余量和扬程，拟合出含沙水流条件下离心泵的空化余量和扬程的函数曲线。4.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：强彦，魏列江，徐晓冬，马思圣，辛明东，哈兴凯，
申请(专利权)人：兰州理工大学，
类型：发明
国别省市：甘肃,62