一种叶片泵内部回流及回流旋涡空化的数值预测方法技术

本发明专利技术公开了一种叶片泵内部回流及回流旋涡空化的数值预测方法，用于预测叶片泵运行在小流量工况下其内部回流及回流旋涡空化现象。包括：步骤1)在CFD软件中分别对不同工况下泵内部流动的定常及泵内部空化流动进行数值计算，提取流场信息，获取叶轮空泡分布。步骤2)基于步骤1)的数值计算结果，进行泵内部非定常流动的数值计算，设置相关压力脉动监测点。对典型的工况点进行非定常数值模拟，提取流场与压力脉动信息。步骤3)基于步骤2)对比各监测点的主频，并对压力脉动信号进行相位相关性分析，获取不稳定流动单元数及相应的轴向与径向特征。基于步骤1)、2)流场信息，对比分析回流与回流旋涡空化发生的临界工况点。

【技术实现步骤摘要】
一种叶片泵内部回流及回流旋涡空化的数值预测方法
本专利技术属于与叶片式流体机械空化相关的
，尤其涉及到一种叶片泵内部回流与回流旋涡空化数值预测方法。
技术介绍
叶片泵广泛应用于航空航天，石油、化工、水利等重要的国民经济领域，具有结构简单、性能可靠和维修方便等优点。泵在偏离设计工况下运行时，特别是小流量工况运行时，离心泵进口容易产生回流，回流漩涡中心的压力极低，并容易在吸水管路中出现低压区，而低压区会导致空化产生。空化现象普遍存在于泵类旋转机械及其他水力机械中，对于泵类旋转机械而言，空化现象带来的影响大多是负面的。在设计的早期阶段预报空化现象变得十分重要。因试验方法存在设计周期长、设计成本高等问题；因此，为了解决这一问题，一种借助CFD数值计算的离心泵回流及回流旋涡空化的数值预测方法被提出。
技术实现思路
为了解决以上技术问题，本专利技术提供一种基于计算流体软件的叶片泵内部回流及回流旋涡空化的数值预测方法，以准确且高效地对在非设计工况下运行的叶片泵发生回流与回流旋涡空化进行预测。为达到以上目的，采用如下计算方案，一种叶片泵内部回流与回流旋涡空化的数值预测方法，包括以下步骤：步骤一：步骤1)采用三维软件Creo对叶片泵的流体域进行三维造型，输出后缀为stp的模型文件；步骤2)将步骤1)中所建立的三维模型导入ICEM中，对流体域进行网格划分，包括：叶轮、蜗壳、出口、进口及进出口延伸段，网格形式采用六面体结构网格，并且对结构网格添加边界层，使y+值最大值小于300并检查网格质量，选取合适的网格数以保证计算精度，并进行网格无关性分析，输出后缀为cfx的网格文件；步骤二：步骤3)将步骤2)的网格文件导入ANSYS-CFX中选择Steady计算模式，设置求解器参数：设定工作流体属性：T＝25℃清水，设置水在该温度下的密度及粘性系数；设置进出口边界条件：总压进口，质量流量出口，设定初始进口压力边界条件1atm，通过设定不同的出口质量流量来改变泵的运行工况；选择isothermal传热模型，RNGk-ε湍流模型；设置泵叶轮的转速；旋转计算域壁面设置为无滑移壁面，设置旋转轴与叶轮旋转方向一致壁面相对速度设为0，使用rotating坐标系；静止计算域壁面设置为无滑移壁面，设置为全局静止坐标系；动静计算域交界面采用MRF多重参考系，变换坐标系设置为FrozenRotor，网格连接方式设置为GGI；静静计算域交界面连接模型设为普通连接，网格连接方式设为GGI；求解器参数中对流项、湍流数值项、求解步数、计算收敛条件为1e-4，完成各工况下泵内部流动的定常数值计算的设置，并输出为def的数值计算文件。步骤4)通过对湍流模型、泵进出口边界条件、泵进出口管道延伸段长度进行修正，对叶片泵内部流动的定常数值计算方法进行优化并验证直至达到预测精度，然后进行下一步。步骤三：步骤5)选取具有代表性的4个工况点：设计工况点(1.0Q)与小流量工况点(0.85Q、0.51Q、0.34Q)。步骤6)基于步骤5)所选工况下的泵内部回流流动的定常计算结果，提取泵进口管道，叶轮进口流场信息：如速度、压力、涡量、湍动能分布等。步骤7)在泵进口管内不同轴向位置设置横截面，分别命名为截面1、2、3、4、5、6，其距离叶轮进口面分别为0mm、50mm、100mm、150mm、300mm、400mm；同时在泵进口管设置不同半径的圆柱面：d＝1Ds、d＝0.8Ds、d＝0.4Ds、d＝0.2Ds。步骤8)对比分析不同工况，不同截面处流场信息，建立各工况与回流发展程度的对应关系，同时获取不同工况下泵内部回流流场特征以及回流发生点。步骤9)图5为不同流量下速度流线分布图，在1.0Q工况下，叶轮进口的流线较为平顺，主流入流充满整个进口管，无回流现象出现。当流量降到0.85Q，叶轮进口管壁处出现了少量不规则的流线，对主流形成了轻微的排挤，出现进口回流现象。当流量降到0.51Q时，回流现进一步发展。当流量继续降到0.34Q时，回流延伸到进口管径约3倍的地方，回流已经发展为比较剧烈。步骤10)图6为不同流量下截面1的轴向速度和周向速度分布，由图可知，在1.0Q未发生回流工况点，不同半径处的轴向速度均为正值，只在r/R1＝1.0附近速度轻微下降。而其余回流发生流量点下，在r/R1值为0.8～1.0的范围内出现了速度值为负的情况。并且随着流量继续降低，反向速度绝对值越大，表明回流强度增强，回流更剧烈。步骤四：步骤11)将气态介质加入计算域中，选取均相流空化模型；质量传递设置为Cavitation，并输入该介质在一定温度下的饱和蒸气压。步骤12)设置进口边界流体介质的初始体积分数，将液态流体体积分数设为1，气态流体设为0。步骤13)进出口边界条件设置：进口总压设置为1atm，出口设置为质量流量。步骤14)将无空化情况下计算的res文件作为初始文件进行一个大气压下的空化计算，并在计算完成后逐渐降低模型泵进口压力来实现空化数值计算。步骤15)获取不同流量下叶轮内10％空泡等值面分布、不同空化系数下叶轮内10％空泡等值面分布。得到空泡发展规律，对比分析得到空泡分布与回流强度发展的关系。步骤16)提取空化条件下进口管道，叶轮进口流场信息：如速度、压力、涡量、湍动能等分布。步骤17)获取不同工况下不同空化条件下(即不同空化系数下)叶轮内空泡体积等值面分布，获得空泡发展与回流强度发展的关系。步骤18)分别对不同工况，选取截面1(回流发生区域)和截面5(未见明显回流)，对所获取的叶轮进口流场信息、叶轮内空泡体积等值面分布进行对比分析。步骤五：步骤19)基于步骤6)所选工况下的泵内部回流流动的定常数值计算结果为初始条件，进一步选择发生回流未发生回流漩涡空化的典型工况点，进行泵内部非定常流动的数值计算。步骤20)基于步骤14)泵空化流动的定常数值计算结果为初始条件，进一步选择既发生回流又发生回流漩涡空化的典型工况点，进行空化流动的非定常数值模拟。步骤21)在步骤19)和步骤20)的非定常数值模拟计算中，其中涉及的湍流模型选RNGk-ε模型，空化模型选均相流模型，将叶轮每旋转10°作为非定常计算的时间步长，叶轮旋转30圈作为非定常计算的总时间；进出口边界条件选取总压进口、质量流量出口。步骤22)在进口管道内、叶轮进口处、叶轮流道内分别设置压力脉动监测点。步骤23)提取泵进口管道及叶轮进口流场、回流漩涡空化的空泡体积分布随时间变化的信息。步骤24)以叶轮旋转一周为一个周期，选取0T、0.25T、0.5T、0.75T、1T五个时刻叶轮进口轴截面的速度流线图；获取回流影响范围、回流涡分布的动态变化特征。步骤25)获取所选工况下叶轮旋转一个周期内不同时刻叶轮及进口管内10％空泡等值面分布，并对不同时刻空泡分布状况进行分析获取回流漩涡空化的发展过程。步骤26)提取步骤22)中所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种叶片泵内部回流及回流旋涡空化的数值预测方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1)叶片泵三维模型建立及网格划分：对流场域进行建模，进行网格划分，检查网格质量，并进行网格无关性分析。/n步骤2)采用CFD软件设置设计工况与小流量工况下叶片泵内部流动的定常数值计算前处理文件：将步骤1)的网格导入CFD计算软件，设定泵工作流体属性、泵进出口边界条件，选择合适的湍流模型，设置计算收敛条件，进行叶片泵内部流动的定常数值计算，输出数值计算结果文件。通过对湍流模型、泵进出口边界条件、泵进出口管道延伸段长度进行修正，对泵内部流动的定常数值模拟方法进行优化并验证直至达到预测精度，然后进行下一步。/n步骤3)分别进行设计工况下、小流量工况下泵内部流动的定常数值计算，获取其计算结果；提取不同工况下泵进口管道，叶轮进口流场信息：如速度、压力、涡量、湍动能分布等；同时获取泵内部回流流场特征以及回流发生点。。/n步骤4)选取CFD软件中的均相流空化模型，进口总压设置为1atm，出口设置为质量流量，基于步骤3)泵内部无空化流动的定常数值计算结果，通过逐步降低叶片泵进口压力，进行设计工况与小流量工况下泵内部空化流动的数值计算，获取不同工况下叶轮进口流场信息、不同空化条件下(即不同空化系数下)叶轮内空泡体积等值面分布。/n步骤5)基于步骤3)与4)泵内部回流流动与空化流动的定常数值计算结果，进行泵内部非定常流动的数值计算，并在泵进口管内、叶轮进口处及叶轮流道内分别设置相关压力脉动监测点。选取步骤3)中典型的工况点(发生回流、未发生回流旋涡空化、既发生回流又发生回流旋涡空化)进行非定常数值模拟；提取泵进口管道，叶轮进口流场、回流旋涡空化的空泡体积分布随时间变化的信息；提取以上所设置监测点处的压力脉动结果，通过在MATLAB进行编程进行各监测点的压力脉动频域分析。/n步骤6)基于步骤5)泵内部回流与回流旋涡空化发生时各监测点的压力脉动计算结果，通过对比分析各监测点的主频，又对不同位置监测点的压力脉动信号进行相位相关性分析，获取回流与回流旋涡空化发生与发展阶段中的不稳定流动单元数，获取其相应的轴向与径向特征。基于步骤3)、4)、5)泵内部回流与流旋涡空化发生时的流场信息，对比分析回流与回流旋涡空化发生的临界工况点。/n...

【技术特征摘要】
1.一种叶片泵内部回流及回流旋涡空化的数值预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)叶片泵三维模型建立及网格划分：对流场域进行建模，进行网格划分，检查网格质量，并进行网格无关性分析。
步骤2)采用CFD软件设置设计工况与小流量工况下叶片泵内部流动的定常数值计算前处理文件：将步骤1)的网格导入CFD计算软件，设定泵工作流体属性、泵进出口边界条件，选择合适的湍流模型，设置计算收敛条件，进行叶片泵内部流动的定常数值计算，输出数值计算结果文件。通过对湍流模型、泵进出口边界条件、泵进出口管道延伸段长度进行修正，对泵内部流动的定常数值模拟方法进行优化并验证直至达到预测精度，然后进行下一步。
步骤3)分别进行设计工况下、小流量工况下泵内部流动的定常数值计算，获取其计算结果；提取不同工况下泵进口管道，叶轮进口流场信息：如速度、压力、涡量、湍动能分布等；同时获取泵内部回流流场特征以及回流发生点。。
步骤4)选取CFD软件中的均相流空化模型，进口总压设置为1atm，出口设置为质量流量，基于步骤3)泵内部无空化流动的定常数值计算结果，通过逐步降低叶片泵进口压力，进行设计工况与小流量工况下泵内部空化流动的数值计算，获取不同工况下叶轮进口流场信息、不同空化条件下(即不同空化系数下)叶轮内空泡体积等值面分布。
步骤5)基于步骤3)与4)泵内部回流流动与空化流动的定常数值计算结果，进行泵内部非定常流动的数值计算，并在泵进口管内、叶轮进口处及叶轮流道内分别设置相关压力脉动监测点。选取步骤3)中典型的工况点(发生回流、未发生回流旋涡空化、既发生回流又发生回流旋涡空化)进行非定常数值模拟；提取泵进口管道，叶轮进口流场、回流旋涡空化的空泡体积分布随时间变化的信息；提取以上所设置监测点处的压力脉动结果，通过在MATLAB进行编程进行各监测点的压力脉动频域分析。
步骤6)基于步骤5)泵内部回流与回流旋涡空化发生时各监测点的压力脉动计算结果，通过对比分析各监测点的主频，又对不同位置监测点的压力脉动信号进行相位相关性分析，获取回流与回流旋涡空化发生与发展阶段中的不稳定流动单元数，获取其相应的轴向与径向特征。基于步骤3)、4)、5)泵内部回流与流旋涡空化发生时的流场信息，对比分析回流与回流旋涡空化发生的临界工况点。


2.根据权利要求1所述的一种叶片泵内部回流及回流旋涡空化的数值预测方法，其特征在于，所述步骤1)包括如下步骤：
步骤1)采用三维软件Creo对叶片泵的计算流体域进行三维造型，输出后缀为stp的模型文件。
步骤2)基于ICEMCFD软件、采用六面体结构网格对泵各计算流体域进行网格划分，同时对所生成的结构网格添加边界层，使其y+值最大值小于200，并检查网格质量，选取合适的网格数以保证计算精度，并进行网格无关性分析，输出后缀为cfx的网格文件。


3.根据权利要求1所述的一种叶片泵内部回流及回流旋涡空化的数值预测方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括以下步骤：
步骤3)将步骤2)的网格文件导入ANSYS-CFX中选择Steady计算模式，设置求解器参数：设定工作流体属性：T＝25℃清水，设置水在该温度下的密度及粘性系数；设置进出口边界条件：总压进口，质量流量出口，设定初始进口压力边界条件1atm，通过设定不同的出口质量流量来改变泵的运行工况；选择isothermal传热模型，RNGk-ε湍流模型；设置泵叶轮的转速；旋转计算域壁面设置为无滑移壁面，设置旋转轴与叶轮旋转方向一致壁面相对速度设为0，使用rotating坐标系；静止计算域壁面设置为无滑移壁面，设置为全局静止坐标系；动静计算域交界面采用MRF多重参考系，变换坐标系设置为FrozenRotor，网格连接方式设置为GGI；静静计算域交界面连接模型设为普通连接，网格连接方式设为GGI；求解器参数中对流项、湍流数值项、求解步数、计算收敛条件为1e-4，完成各工况下泵内部流动的定常数值计算的设置，并输出为def的数值计算文件。
步骤4)基于步骤3)进行泵内部流动的定常数值模拟，并输出后缀为res的数值计算结果文件，同时通过计算获得的泵外特性能曲线；
步骤5)基于步骤3)通过对湍流模型、泵进出口边界条件、泵进出口管道延伸段长度进行修正重新进行叶片泵内部流动定常数值计算，将离心泵外特性参数的计算值与其相应的实验值进行对比，从而可确定所选湍流模型是否符合泵在该工况的内部流动状态；若其误差大于3％，则对湍流模型进行修正直至达到预测精度。


4.根据权利要求1所述的一种叶片泵内部回流及回流旋涡空化的数值预测方法，其特征在于，所述步骤3)具体包括以下步骤：
步骤6)选取具有代表性的4个工况点的泵内部回流流动的数值计算结果：设计工况点(1.0Q)与小流量工况点(0.85Q、...

【专利技术属性】
技术研发人员：付燕霞，王振清，范猛，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32