离心泵副叶轮动力密封的数值模拟和试验研究硕士学位论文

离心泵副叶轮动力密封的数值模拟和试验研究硕士学位 离心泵副叶轮动力密封的数值模拟和试验研究硕士学 位论文 江苏大学 硕士学位论文 离心泵副叶轮动力密封的数值模拟和试验研究 姓名:李淑娟 申请学位级别:硕士 专业:流体机械及工程 指导教师:袁建平 20100601江苏大学硕士学位论文 摘 要 副叶轮动力密封虽然在实际工程已经得到了广泛的应用,但是其理论研究薄 弱,内部的流动机理尚未为人们所掌握。基于实验和数值模拟,研究副叶轮动 力 密封的流动规律和密封机理,完善其设计方法,提高效率和运行可靠性,具有 较 重要的理论意义和工程应用前景。本文是在国家自然科学基金“离心泵内部 非定 常流动诱导振动和噪声的理论研究”的资助下,针对离心泵副叶轮动 力密封进行了数值模拟及研究,主要的研究工作和成果有: .总结了带副叶轮动力密封的离心泵存在的主要问,阐述了带副叶轮动力 密封离心泵的研究进展。 .介绍了流体数值计算基本理论与方法,建立了带副叶轮动力密封的离心泵 的计算模型;并在此基础上对副叶轮封压能力封压值、封压系数以及离心泵 性能扬程、轴功率、效率进行了分析预测。 .首次对带副叶轮动力密封与不带副叶轮动力密封的离心泵进行了整机数值 计算,对比分析了三种不同流量工况下动力密封内部的速度和压力分布;初步揭 示了动力密封对离心泵内部流场及性能的影响。分析结果表明:与不带副叶轮动 力密封的离心泵相比,带副叶轮动力密封结构的泵的扬程略有提高,效率有明显 的下降;随着流量的增加,扬程提高逐渐增大,效率下降逐渐减小。 .首次利用 正交表设计了离心泵的副叶轮动力密封,并对带各方 案的离心泵内部流动进行三维湍流数值模拟,研究了副叶轮轴向间隙、副叶片宽 度、副叶轮外径和叶片数对副叶轮封压能力及泵性能的影响,探讨了副叶轮与背 叶片的压力分配比对泵外特性的影响规律,研究结果表明: 影响副叶轮封压值、离心泵效率、轴功率的最重要的因素是副叶轮外径; 影响副叶轮封压系数的最重要因素是副叶片宽度; 设计时选用较大的理论封压值的方案,其实际封压值随流量的变化较小, 即在整个流量区域内密封情况更稳定。 .对各正交方案的副叶轮进行了实物加工,并进行外特性试验;对比分析了 数值模拟正交试验结果与实际正交试验结果,验证了数值模拟正交试验优化 设计 的可行性。江苏大学硕士学位论文 本文通过理论分析、数值模拟及外特性试验对带副叶轮动力密封的离心泵进 行了研究,探讨了副叶轮内部的流动及其对离心泵性能的影响,为今后带副 叶轮 动力密封的离心泵优化设计打下了基础。 关键词:离心泵;动力密封;副叶轮;正交试验;数值模拟;性能预测 江苏大学硕士学位论文?, . , .‘ ’. : ?. . ,.. . . ? , , 耐. ..?.? .. , ... 江苏大学硕士学位论文, , , . .: 。. ? ,. . . , . ., , ,..: , , , , 江苏大学硕士学位论文 主要符号 符号 物理意义及单位 符号 物理意义及单位 总效率,% 流量,/ 玎 扭矩,? 水力效率,% 以 机械效率,% 转速,/ 叩 轴功率, 叩 容积效率,% 比转数密度,/ 扬程, 重力加速度,/ 甜 圆周速度,/ 动扬程, , 静扬程, 绝对速度,/ 理论封压值, 相对速度,/ 实际封压值, 副叶片数 扬程相对误差,% ’ 副叶片宽度, 副叶轮外径, 压力, 艿 七 封压系数 副叶轮轴向间隙, ? 角速度,/ 注:文中对符号有注释的优先;多于一个含义的符号在文中另作说明 ?学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文 被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内 容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 保密口,在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囤。 签 学位论文作者签名:李淑娟 擗副鼬教师币 孙 藏建平 夕像的帅日 年月日 年? 月独创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外,本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名: 李淑娟 日期: 年月 日江苏大学硕士学位论文 第一章 绪论 .课题研究的背景及意义 流体密封作为一门新兴的工程技术学科正越来越受到各个行业的关注。流体 密封问题在工农业生产中和人们的日常生活中无处不在。流体密封装置是流 体机 械的重要组成部分,对泵的安全性、可靠性和耐久性起着关键性的作用。据 实际 生产统计,密封引起的故障占泵故障的%以上【,维修工作量也占了很大的比 重。 为阻止或减少泵内高压液体沿轴向外泄漏,必须采用轴向动密封装置,最常 用有填料密封、机械密封、副叶轮动力密封等。填料密封使用比较早,发展 比较 成熟,其结构简单,密封效果比较可靠,但使用寿命短,还需加高压轴封水,能 耗高,而且污染环境。机械密封是一种较为精密的部件,密封性能好,性能稳定, 能耗小,但结构复杂,价格昂贵,且泄漏点多,对加工精度和安装质量都有很高 的要求,拆装困难,输送含颗粒介质时易磨损失效。副叶轮动力密封可以克服填 料密封和机械密封的不足,尤其适合于其他密封难以胜任的场合,如高速、高温、 输送具有强烈腐蚀性或悬浮固体颗粒的介质,具有结构简单、密封可靠、寿命长 的特点,已广泛应用于冶金、石油、化工、食品、制药、轻工等工业部门。 随着现代工业生产的迅速发展,要求流体密封向着高速、高压、高温的方向 发展;随着人们对环保及节能的日益重视,期待着流体动密封的性能向着高效节 能、长寿命、高可靠性的方向发展。这就对流体动密封的环境和性能有了更高的 要求,而在上述的几种轴向动密封形式中,副叶轮动力密封更能满足这种苛刻的 需要。 虽然副叶轮动力密封在实际工程得到了应用,但是其理论研究薄弱,内部的 流动机理还不清楚,设计方法也主要是基于强制漩涡理论和斯捷潘若夫的半 经验 ,且相关研究主要集中在封压能力上,很少去考虑其性能,尤其是能耗,还 不完善。目前国内规定带副叶轮密封装置的泵能耗降低%,但根据目前设 计方法得到的副叶轮密封能耗往往超过该规定。 流体机械内流场的流动结构直接影响其性能【石】,因此,对含副叶轮在内的内江苏大学硕士学位论文 流场的研究已成为带副叶轮密封的离心泵性能提高的关键途经之一。基于实验和 数值模拟,研究副叶轮动力密封的流动规律和密封机理,完善其设计方法,提高 效率和运行可靠性,具有较重要的理论意义和工程应用前景。 .副叶轮动力密封相关研究的国内外现状 ..副叶轮动力密封国内外研究现状 国内关于副叶轮动力密封研究的文献很少,且主要集中在基于现有半经验公 式的工程设计与改造,很少有涉及副叶轮动力密封的内部流动规律及密封机理、 基于节能的优化设计,以及副叶轮变工况密封规律等方面的研究。 .工程应用 白冬琴等【分析了尾矿车间泥浆泵副叶轮动力密封的减压盖异常磨 损的问题,并对该密封装置进行了改造,采用螺旋叶轮代替径向叶轮,改造效果 明显。杨敬江【】基于现有副叶轮密封设计原理和半经验公式,针对一批化工泵进 行了密封装置的改造,改造后实现了无泄漏,但效率下降了%,轴功率增加了 %。张巍等【】介绍了对输送含硼酸钙和碳酸钙等颗粒的离心泵副叶轮动力密封改 造和设计,改造后运行时无任何泄漏,且连续运行时间延长了。黄先培【】通过采 用加大密封水头方法对背叶片和副叶轮的进行了改造,改造后无泄漏,运行可靠。 周连考【】采用在叶轮前后盖板上添设副叶片来替代原口环密封,测试结果表明: 轴功率增加了,效率下降了,扬程曲线趋平了,轴向力减小了。罗嘉智【】采用动 力密封对酸泵原有的填料密封及端面密封进行了改造,改造后基本上无泄漏引起 的电机损坏事故,维修周期延长。 .理论分析 施卫东等【】分析了流体动密封的基本原理及其结构特点,通过对其封压能力 的计算,建立了流体动密封设计的经验公式。刘甲凡【】通过对微液环上离心压力 的积分得出副叶轮的理论扬程,并引入修正系数进行修正,并介阐述了副叶 轮密 封装置结构参数的选择原则。李红【】重点讨论了副叶轮动力密封的设计和计算, 并推导出一些计算公式。韩冰等【】通过对副叶轮动力密封在泵关机后性能的研究, 建立了副叶轮设计的半经验公式。郭自杰等【】提出了背叶片、副叶轮设计的一个 关键问题,即选用能准确地反映叶片宽度、端面间隙及封压值的计算关系式。李 江苏大学硕士学位论文 明义等【】阐述了渣浆泵副叶轮动力密封装置的结构、原理及设计方法,并介绍 了基于经验公式,以功耗为目标函数的优化设计方法。周志安等】探讨了背叶片 和副叶轮密封泵轴向力的计算方法,并提出在主叶轮前盖板上设置前叶片来平衡 过大的轴向力。 .数值计算及试验研究 刘建华等【总结归纳了副叶轮的轴向力、轴功率的计算方法,以及副叶轮设 计方法;进行了实例计算,加副叶轮动力密封装置后效率下降%,经实泵测试, 效率下降了%。马玉刚】研究了背叶片对轴向力的影响,得到了轴向力随背叶 片端面与壳壁之间的间隙变化的规律。刘伟超等【】对背叶片及密封间隙中 的流动, 以及叶轮与蜗壳内的流动分别进行计算,对带背叶片密封的渣浆泵进行了性能预 测,所得结果与试验数据相当接近。占梁梁等【】分析了应用背叶片密封的利弊, 为渣浆泵的优化设计提供了依据。 国外在副叶轮密封方面的文献比较少,也主要是基于强制漩涡理论和斯捷潘 若夫的半经验公式的工程应用和设计。在内部流动规律、密封机理、节能优化设 计方面的文献更是极少。 等【】对带副叶轮动力密封的船用渣浆泵进行了三维麴值模拟, 研究了叶片数、叶片宽度、叶片外径以及流量对密封性能的影响。 进行了污水泵填料密封、机械密封和副叶轮动力密封的寿命周期成本分析,得到 了副叶轮动力密封的寿命周期成本最低的结论。 等【】分析了水泵 背叶片对密封性能和平衡轴向力的影响。等【捌、、】也 先后在副叶轮密封密封基本原理、平衡轴向力原理、设计基本原则方面进行了研 究。 综上所述,国内外在副叶轮动力密封方面的研究,主要集中在工程应用、密 封改造等方面,所用的设计方法仍是沿袭多年的半经验公式,很少有人对副叶轮 动力密封内部流动机理和规律,以及节能优化方面的实验和数值模拟进行研究。 ..开式叶轮的研究 副叶轮动力密封中的主要部件是副叶轮和背叶片,其形状和工作原理与开式 叶轮都很相似。因此,开式叶轮的研究对副叶轮密封内部流动机理和规律研究具 有参考价值。 江苏大学硕士学位论文 丛小青等】详细研究了叶片数、叶片顶端间隙对水泵性能的影响,介绍了半 开式叶轮的设计方法。朱祖超等【】对开式高速离心泵进行了试验研究,研究了叶 轮结构形式与主要参数对泵性能的影响。许元兰等【】对半开式叶轮的设计方法进 行了研究,得到了三叶片半开式叶轮参数的统计公式。操松林等【分析了叶轮与 泵体之间的间隙对泵性能的影响,推荐了叶轮与泵体间合理的间隙范围。张剑慈 等【川】提出基于.方程和.湍流模型流动分析的开式叶轮高速离心泵优化设 计系统;对开式叶轮高速离心泵叶轮内部流场进行了数值模拟及试验研究,揭示 其内部流动机理。王军等【】采用系列不同结构叶轮,系统地进行性能试验, 试验结果表明:开式叶轮根部与后缘结构的变化对整机的性能影响很大。梁 开洪 等【】对轴流泵叶顶间隙流动进行数值模拟,对比分析了不同间隙下轴流泵的能量 特性,得到了比较完整的能量特性图表。黄欢明等【柏】研究了轴流泵间隙流动对 轴向速度的影响,发现间隙泄漏流动导致叶顶区域轴向速度出现明显的亏损。朱 荣生等【】对三叶片半开式无堵塞叶轮的设计方法进行了研究,得到了三叶片半开 式无堵塞叶轮参数的统计公式。 】指出了带有开式叶轮的离心风扇性能很大程度上取决于沿轴向复杂 结构产生的不对称的流场,该流场又反过来影响叶轮几何参数的设计。 】 用数值计算的方法研究了开式叶轮间隙对叶轮流道泄漏量的影响。对轴流 式压气机叶轮出口流场采用热线风速仪进行了深入的试验研究,表明间隙流动对 叶轮性能和出口流场结构产生很大的影响。 通过对以上的文献分析,发现其很大一部分都是针对开式叶轮和泵壳之间的 间隙进行开展的数值模拟和试验研究,因此开式叶轮的间隙对性能影响有很重要 的影响。 .本文研究的主要内容 通过上节的分析发现,副叶轮动力密封已经在冶金、石油、化工、食品、制 药、轻工等工业部门的流体动密封方面取得了明显的工程应用效果,但也存在功 耗高、效率低等问题。目前副叶轮动力密封的研究大都是集中在工程改造,而副 叶轮内部流动机理及其对离心泵整机外特性能的影响规律还不清楚。为了提高效 率,降低能耗,本文对带副叶轮动力密封的离心泵进行了数值计算及试验研究。 江苏大学硕士学位论丈 本文的主要研究内容有: 总结副叶轮动力密封研究中存在的主要问题以及解决这些问题的必要 性和紧迫性;分析总结副叶轮动力密封及开式叶轮的国内外研究现状。 基于数值计算方法及理论,建立带副叶轮动力密封离心泵的计算模型; 分析副叶轮动力密封的基础理论,并基于此对带副叶轮动力密封的离心泵性能进 行预测。 对带副叶轮密封的离心泵与不带副叶轮密封的离心泵进行数值模拟, 对比分析三种不同流量工况下带副叶轮密封的离心泵动力密封内部的速度和压力 分布,以及其对离心泵内部流场的影响。 应用正交表对带副叶轮密封的离心泵进行数值模拟研究,分析 副叶片数、轴向间隙、副叶轮外径和叶片宽度对副叶轮封压值、封压系数以 及离 心泵功率、效率的影响。 分析研究副叶轮与背叶片的压力分配比对泵外特性的影响。 对各方案进行实物加工和试验,对比数值模拟正交试验结果与实际正 交试验结果,进一步研究带副叶轮密封的离心泵的性能规律及其设计方法。 江苏大学硕士学位论文 第二章 离心泵内部流场数值解法及性能预测原理 .数值计算模型理论 .. 简介 计算流体动力学 ,简称是流体力学理 论的一个分支,是应用离散化的数值方法及电子计算机对流体流动进行数值 模拟 及分析的学科。的核心思想:利用数值模拟计算方法,离散和求解流动微分 方程,从而获得流场内有限点上流动参数的近似值。 采用的方法对流体流动进行数值模拟,主要有以下几个步骤: 建立反映工程问题或物理问题本质的数学模型; 需要高效率、高准确度的计算方法,即建立针对控制方程的数值离散化 方法,如有限差分法、有限元法、有限体积法等; 编制程序和进行计算,包括计算网格划分、初始条件和边界条件的输入、 控制参数的设定等; 显示计算结果,一般通过图表等方式显示,对检查和判断分析质量和结 果有重要参考意义。 方法的主要长处是适应性强、应用面广,主要表现在以下几个方面:首 先,流动问题的控制方程一般是非线性的,自变量多,计算域的几何形状和边界 条件复杂,很难求得解析解,而用方法则有可能找出满足工程需要的数值解;其 次,可利用计算机进行各种数值实验,例如,可以选择不同流动参数进行试验, 可进行物理方程中的各种有效性和敏感性试验,以便进行各种近似处理等。最后, 它不受物理模型和试验模型的限制,省钱省时,有较多的灵活性。但方法也 有一定的局限性,数值解法只是一种离散近似的计算方法,有一定的计算误差。 计算流体力学与传统的理论分析方法和试验测量方法组成了研究流体流动问 题的完整体系,它们的发展是相互依赖、相互促进的。计算流体力学的兴起促进 了流体力学的发展,改变了流体力学研究工作的状况,很多原来认为很难解决的 问题,如超声速、高超声速钝体绕流、分离流以及湍流问题等,都有了不同程度 的发展,为流体力学研究工作提供新的前景。 江苏大学硕士学位论文 ..副叶轮动力密封的数值计算模型 .控制方程 微观上任何流动现象的物理特性都是由基本的质量守恒原理、动量守恒原理 和能量守恒原理控制的。从三大基本原理出发,对客观物理现象进行概括、 抽象、 简化,可以建立流体动力学的方程组。带副叶轮动力密封离心泵内的流动也 满足 这些方程。 连续性方程 任何流动问题都必须满足质量守恒定律,连续性方程是质量守恒定律的数学 表达式,其微分方程的张量形式可以写成 望??: 瓠 式中:为时间;,,,代表与坐标轴而平行的速度分量。对于定常、不 可压流动,连续性方程可简化为 厅罢詈警. 蹴纠 院 式中:厅为速度的散度;、、为速度矢量露在鼽、三个坐标上的速度 分量。 动量方程 动量定理也是任何流动都必须满足的基本定理。不可压粘性流体动量方程的 微分方程用张量形式可以写成 剐 警嵋瓦一昙毒。杀 式中:为压力;为运动粘度;五为体积力。 由于此方程是由.......和年由 分别导出,因此 又称为?方程。 能量方程 能量守恒定律是包含有热交换的流动系统必须满足的基本定律。该定律实质 上是热力学第一定律,常用的能量守恒定律是以温度丁为变量的能量守恒方 程, 其张量形式为 江苏大学硕士学位论文 . :丘 研 式中:是比热容;为温度;为流体传热系数;为流体的内热源以及由于 粘性作用流体机械能转换为热能的部分。 在特定的流体系统中,基本物理方程还包括组分质量守恒方程等其他守恒方 程。 离心泵的内部流动是复杂的三维湍流。湍流运动的特征是在运动过程中流体 质点不断地互相渗混,速度和压力等物理量在空间和时间上是具有随机性质 的脉 动量。 当前一般对瞬态.方程动量方程做时间平均处理,同时补充 反映湍流特征的湍流耗散率等方程来处理湍流问题,即雷诺时均化。雷诺时 均方 程是由.方程经过时均化处理后得到的,其张量形式如下: , 等嚆五一吉善苦卜考一瑶 式中: 万,为方向的雷诺平均速度;为雷诺平均静压;为脉动量。 对于定常、不可压流动且不考虑体积力,上述方程可以写成下列形式: 石, ’ 魄 乃考一吉善毒/卜考/一瑶 八 川 .湍流模型 湍流流动是一种高度非线性复杂流动,是目前数值模拟最活跃的领域。工程 上应用的湍流数值模拟方法主要有直接数值模拟、大涡模拟和雷诺平均法三 类【】。 直接数值模拟 ,简称 直接数值模拟是用非定常的.方程来对湍流进行直接计算的方法。要对高 度复杂的湍流运动作直接模拟,必须采用很小的空间网格与时间步长。实验 测试 表明,在. .的流动区域中可能要布置~节点,其所需要的内存容 量和运算时间远远超过现阶段计算机的水平,所以,目前仅有极少数能使用超级 计算机的研究者才有条件探索这种方法。 大涡模拟 大涡模拟的基本思想是:直接用非稳态的.方程来直接模拟大尺度涡,但 江苏大学硕士学位论文 不直接计算小尺度涡;小涡对于大涡的影响,用近似的模型来考虑。这种数值方 法己经有了一些成果报道,尽管只模拟大尺度涡,仍然需要在比较大型的计算机 上完成。 .,简称 雷诺时均方程法. 在工程应用中,人们对湍流的脉动量往往不太关注,最为关心的是流动参数 的时均值。描述流动参数时均值的雷诺时均方程法是目前工程湍流计算中所采用 的基本方法。在这类方法里,将非稳态的.方程对时间作平均得到控制方程。 在所得出的控制方程中包含了脉动量的时间平均值等未知量,所得方程的个数少 于未知量的个数,不可能依靠进一步的时均处理来使控制方程组封闭。要使不封 闭的雷诺时均方程封闭,必须做出某种假设,即建立封闭模型,把未知的较高 阶 的时间平均值表示成较低阶的在计算中可以确定的某种量的函数。由于这种封闭 模型的方法差异很大,因而形成繁简悬殊的湍流模型。 以雷诺时均法为基础的湍流模型可以分为两大类:第一类是雷诺应力模型 ,这种模型的思想是对雷诺方程再取时均值,得到关于雷诺应力的偏微分 方程,在此过程中,又产生了更高一阶的脉动附加项,还需要再去封闭。这种模 ,简称,及雷诺应 型有代数雷诺应力模型 力模型。第二类是涡粘度湍流粘度模型,主要基于假设, 把雷诺应力表示成湍流粘性系数的函数。 ..模型是一种以雷诺时均法为基础的涡粘度模型。它是 基于经验和量纲分析的一方程模型【。】。早期的.模型是基于不可压流动的低 雷诺数模型【,要求在近壁区网格划分很细,只适用于一些简单的流动。目前在 中,由于引入了壁面函数法,.模型用较粗的壁面网格时也可以得到 较好的结果,在带有层流流动的固壁湍流流动的透平机械应用中已经越来越普遍。 .模型可由式.描述。 ? 掣掣毒眦丝,当以考瓦,瓦一蚂竿 上述方程中,从左至右各项依次是瞬态项、对流项、扩散项、产生项、耗散 项。式中:为湍流动能; 以为湍流粘性系数,定义如下: 忌:要瑶 “ 江苏大学硕士学位论文 以以?七, . 上述方程中,为湍流脉动的长度比尺,依据经验公式或实验而定【】;、吒、 为经验常数,文献【】建议:..,?.,普朗特数吒.。 ..模型起始是专门用于求解航空领域的壁面限制流动, 对于受逆压力梯度作用的边界层流动,已取得很好的效果,在透平机械中的 应用 也越来越普遍。 本文模拟所采用的模型为?模型。在设置边界湍流特性时,软件 为.模型提供了五种湍流参数组合: 修正的湍流粘性; 湍流强度和湍流长度尺度; 湍流强度和湍动粘性比; 湍流强度和水力直径; 湍动粘性比。 本文后面模拟所采用的是第四种组合:湍流强度和水力直径。 .控制方程计算方法 在流体力学基本方程中常包含时间或空间的微分或积分项,数值计算时 需要把这些微分项或积分项用离散代数的形式表达出来。目前常用的离散方 法有:有限差分法、有限元法、有限体积法、有限分析法、边界元法、谱分析方 法、数值积分变换法和格子方法等。 有限体积法 ,简称,是近年来发展非常迅速的 一种离散化方法,其特点是计算效率高,目前在计算流体力学领域得到广泛应用。 有限体积法的基本思想是:将计算区域划分为网格,并使每个网格点周围都有一 个互不重复的控制体积,将控制方程对每一个控制体积积分,从而得出一组离散 方程,其中的未知数为网格点上的因变量?;为求出控制体积的积分,必须假定? 值在网格点之间的变化规律。从积分区域的选取方法来看,有限体积法属于加权 余量法中的子域法;从未知解的近似方法来看,有限体积法属于局部近似的离散 法。 用有限体积法导出的离散方程可以保证其具有守恒性,离散方程系数的物理 江苏大学硕士学位论文 意义明确,且在实施的简易、发展的成熟及应用的广泛性等方面均具有优势,是 目前数值计算中应用最广的一种方法。本文所采用控制方程离散方法即为有限体 积法。 .流场计算数值解法 流场计算的基本过程是在空间上用有限体积法或其他类似方法将计算域离散 为许多小的单元,在每个单元上对离散后的控制方程进行求解。建立了与控制方 程相应的离散方程之后,由于所生成的离散方程不能够直接用来求解,还必须对 离散方程进行某种调整,并且对速度、压力、温度等各未知量的求解顺序及方式 进行特殊处理,其方法即为计算的数值解法。流场计算方法本质上就是对离散后 和分离 控制方程组的求解方法,大致可分为联立耦合求解法 两大类。 式求解法 目前对不可压缩流场的数值模拟,多选用的是压力修正法,而其中以. ? 算法的应用最为广泛,是 与】于年提出的。本文采用是算法。 算法迭代过程如图.所示。 假定压力场 利用压力场求解动量方程,获得速度场 利用速度场求解连续方程,修正压力场 利用压力修正值,更新速度场和压力场 否土\是一,行、 图 算法迭代过程 在算法中,设原来的压力为‘,相应的速度为‘、、’,压力 修正值为‖,相应的速度修正值为’、’、,,对于“‘、,’、的有限差分动江苏 大学硕士学位论文 量方程可写成: ;?带西一或瓯 . 群‘?群巧一西, 雒吒?.;。 式中:’、’,’、’为根据压力‘求解动量方程所得的解。为了满足连续性方程, 需要按照下列关系修正速度和压力: 甜/一,矿‖ 式中:甜、、、为满足连续性的变量。用、’,、、来构造新的动量方 程组如下: ;?雒%一见瓯 . 群%?群一岛, 雒%?一见。 用方程组.分别减去方程组?可得 ;:?群“;一成 ? 群嵋?群一砖 雒嘭?硝嵋一‖ 式中:或、砖、‖代表了压力修正对“嵋、嘭的直接影响,而?群;,?群, ?掣叫则反映了压力修正对“;、嵋、嘭的间接或隐含影响。若保留这一部 分,“ 吒、嘭方程就是一个“全隐的方程,即网格点上的“嵋、蟛必须同时计算 出来。算法忽略了?群;、?群、?掣叫,称为“半隐”。算法是算法的改进 版本。它不需要在算法中建立压力修正 方程,而是用离散后的连续方程建立一个压力的离散方程,从而直接得到压 力。 江苏大学硕士学位论文 此外,原有的压力修正值’只用于修正速度场,不修正压力场,其他同 算法。 算法是由 和】提出的又一算法的改 进算法。它没有忽略由邻点速度修正值而引起的速度修正值,因此得到的压力修 正值。比较合适,也不需要对。进行欠松弛处理。 .网格生成 对流动问题进行数值计算的第一步是对求解的空间区域离散划分网格,即对 空间上连续的计算区域进行剖分,把其划分成许多个子区域,并确定每个子区域 中的节点。工程中的流动问题大多发生在复杂的区域内,因而不规则的区域内网 格生成是一个十分重要的研究领域。网格生成是进行数值模拟的重要组成部分, 品质的好坏直接影响到数值解和计算的精度。对网格的一般要求有如下几点: 贴体性??网格应与求解区域边界相适应; 光滑性??在求解域内应保证局部网格的扭曲和拉伸变化比较缓慢; 正交性??物面与外边界附近的网格要正交或近似正交,以便准确方便 地实施边界上的微分: 合理分布性??在流动参量变化剧烈的局部区域要进行加密,且网格间 距大小要逐渐过渡。 网格生成的方法主要包括五大类:结构化网格、块结构化网格、非结构化网 格、非结构化混合网格和自适应网格【。结构化网格是节点排列有序,相邻节点 间的关系明确。块结构化网格是指把一个复杂的计算区域分成若干个块,在每一 块内采用结构化网格。结构化网格具有生成工作量相对较小、离散方程求解速度 也较快的优点,但其对结构要求较高,要求结构较规则。非结构化网格是另一种 类型的计算网格。它舍去了网格节点的结构性的限制,节点和单元的分布是任意 的,因而能较好地处理边界。在非结构网格生成过程中均采用一定准则来进行优 化判定,因而能生成较高质量的网格,且很容易控制网格的大小和节点的密度。 一旦在边界上指定网格的分布,在两个边界之间可以自动生成网格,无需分块或 用户的干预。因而,非结构化网格可应用于有限差分法与有限容积法,使得这两 种数值方法对不规则边界的适应性增强。近年来非结构网格方法受到了高度的重 视,有了很大的发展。由于流体机械内部流道的复杂性,因而通常采用非结构化江苏大学硕士学位论文 网格来进行网格划分。在生成非结构网格的众多方法中,应用较广的是前沿推进 法 和三角化方法【。 本文网格划分时,计算边界形状比较复杂的蜗壳和叶轮流道采用的是非结构 化网格,而形状比较规则的背叶片、副叶轮、固定导叶及间隙采用的是结构化网 格。 .动静相干模型 由于计算区域存在旋转部件如叶轮和静止部件如蜗壳耦合的情况, 不能采用单一参考系来考虑。目前,软件提供了三种模型可以描述动静 ,简称、混合平 部件之间的耦合:多重参考系模型 ,简称。前 面模型 ,简称和滑移网格模型 两种模型均假设流动是定常的,可用于转子和定子之间的只有微弱的相互作用, 或只需获得近似解的场合。滑移网格假定流动是非定常的,可较准确地模拟转子 和定子之间的相互作用。本文模拟时所采用的是多重参考系模型。 的基本思想是把计算流场简化为转子在某一位置的瞬态流场,且这瞬态 流场按定常问题来计算。转子区域的网格在计算时保持静止,在惯性坐标系中以 作用的离心力和科氏力进行定常计算;而定子区域是在惯性坐标系里进行定常计 算的。在两个子区域的交界面处交换惯性坐标系下的流动参数,以保证交界面的 连续性。交界面上交换的数据主要是速度矢量,两侧的速度被设定为连续的。 模型是三者中最简单的一种稳态近似模型。当交界面上流动区域几乎是一致时均 匀混合,这个方法比较适合。一般来说,转子和定子之间交互作用相对较弱的瞬 态问题可选择模型。另外,用模型计算的流场可作为瞬态滑移网格模 型计算的初始条件。在需要精确模拟强烈作用的转子的瞬态模型时,不宜使用 模型。 .带副叶轮动力密封离心泵的性能预测原理 ..副叶轮动力密封简介 副叶轮动力密封是一种具有固定间隙的非接触式径向密封。它可以克服填料 密封和机械密封的不足,尤其适合于其它密封难以胜任的场合,如高速、高温、 输送具有强烈腐蚀性或悬浮固体颗粒等的介质。特别是在输送介质中含固体颗粒 江苏大学硕士学位论文 时,可以将固体颗粒甩离轴或轴套,保护轴或轴套不受磨损,因此在杂质 泵、化工料浆泵中应用十分广泛。 副叶轮动力密封是通过副叶轮带动由主叶轮泄漏出来的液体一起旋转产生 的 离心力,与泄漏液体自身的压力达到压力平衡,避免液体外泄。因此副叶轮动力 密封又称为离心式密封或者流体动力密封。 图副叶轮动力密封结构图 副叶轮动力密封是一种旋转式密封结构如图.所示,通常由副叶轮、背 叶片、固定导叶等组成。 背叶片:起减低泵腔的压力、平衡轴向力和减少杂质颗粒进入密封装置的作 用,常用于抽送含固体颗粒的泵,如渣浆泵等。 固定导叶:起消除液体旋转的作用。在无固定导叶时,副叶轮光背侧的液体 , 直 大约以?/的角速度旋转,压力呈抛物线规律分布,副叶轮光背侧下部的压力小 于外径处的压力;如果存在固定导叶,则可防止液体旋转,副叶轮外径处的压力 和光背侧下部的压力差不多,这就提高了副叶轮的封堵压力。 副叶轮:实际上是一个小离心叶轮,靠它产生的压力封住主叶轮出口的高压 液体向外泄漏。泵停车时副叶轮不起作用,所以副叶轮动力密封应和停车密封装 置配合使用。 副叶轮动力密封具有以下特点: 运转时无泄漏,不存在机械磨损,可靠性高,使用寿命长: 适合各种苛刻条件下的介质密封,如密封输送高温、强腐蚀和含固体颗 粒等的介质。副叶轮动力密封在防止有毒、有害原料的泄漏,减少环境污染 等方江苏大学硕士学位论文 面具有重要作用; 副叶轮动力密封要消耗一些附加功率,主要是消耗在副叶轮与液体的摩 擦损失上,一般需要增加功率约%一%; 仅适用于低压密封,泵扬程一般在以下; 仅在泵运转时起密封作用,因此必须配备一套停车密封装置。 ..离心泵性能预测 离心泵的主要性能参数有流量、扬程、效率、轴功率等。 .扬程的预测 根据泵扬程的定义,泵的扬程日可由下式计算: 车去/?;呸/?一享唔?;‘瓦/?。 式中:?为进、出口断面节点数;为泵进、出水口法兰中心高度差,。 应用提供的面积分功能,可以直接读出泵进口总压以、泵出口总 压‰,因此,泵的扬程可以定义为 . :监一丝?考虑到泄漏损失引起的俨曲线往大流量方向偏移,本文假设扬程 减小., 修正后的公式为 :垃一兰生一. ..轴功率的预测 根据离心泵轴功率的定义,轴功率包含两部分:一是叶轮输出的有效功率 只;另一个是机械损失消耗的功率轴承损失功率、密封损失功率、圆盘摩擦 损 失损失厶。 从中可以计算出主叶轮叶片的扭矩肘,、主叶轮盖板两表面受到绕 轴的力矩:与:、背叶片的扭矩:、副叶轮的扭矩,、副叶轮盖板两表面受 到绕轴的力矩之肘:与:。轴承处的摩擦损失力矩,是无法通过计算得 江苏大学硕士学位论文 到的。根据文献【,轴承处的摩擦损失功率一般为。...。 因此,轴功率: ,缈,:;’己.? 式中:彩为叶轮转动角速度;哆为主叶轮内液体转动角速度;%为背叶片内液 体 转动角速度;叶为副叶轮内液体转动角速度;国’为副叶轮背面间隙液体转动 角速 度,取功’.彩。 由于本文研究的对象为开式叶轮背叶片、副叶轮工作原理也相当于一个开 式的叶轮,通常开式叶轮内的液体转动角速度哆哆、%、和叶轮转动角 速度国并不一样。哆、魄、可由读出的静压值由下式计算求 得 . 哆 式中:础为开式叶轮背叶片、副叶轮出口静压,;为开式叶轮背叶 片、副叶轮出口半径,;为开式叶轮背叶片、副叶轮进口静压,; 置为开式叶轮背叶片、副叶轮进口半径,。 ?效率的预测 由泵效率的定义可知 . ,::??:????:?? , ”. 式中:为离心泵输出功率,;,为离心泵的扬程理论计算值,。 由扬程及功率的预测公式可以计算出日、,理论流量已知。由于数值计 算没有考虑容积损失,因此需要对计算出来的效率结果进行修正。文献 【】对优秀离心泵的水力模型进行统计、分析和计算,得出的积效率为 眈。’ 仉雨志? 江苏大学硕士学位论文 ..副叶轮动力密封性能预测 由副叶轮动力密封原理可知,它是依靠副叶轮和背叶片旋转产生的压力顶住 叶轮出口的高压液体向外泄漏而密封的。因此,副叶轮动力密封的封压能力 直接 影响到其密封效果。封压值和封压系数是表征封压能力的两个重要指标。 .封压值的预测 图.为副叶轮封压原理图。为了计算副叶轮的封压值,在副叶轮中任取一 微元半径积液体环。当离心泵运行时,副叶轮周围介质的压力与密封腔内液 体的 压力平衡,即 ? 丘。胛 通过对上式积分,可得理论封压值: 旦出。筌暖一 式中:足为副叶轮外径,;为副叶片内径,;缈为副叶轮旋转角速度,/; 为副叶轮外径处静压,;为副叶片内径处静压, 图.副叶轮封压原理图 实际上,由于液体的粘性及副叶片和壳体隙的影响,副叶轮内的液体旋转 角速度要小于副叶轮旋转角速度【,实际封压值要小于理论封压值,即副叶轮 产 生的封压值实际上等于液体经过副叶轮后的压力降。因此,实际封压值为 协凹, 驴芸霹?警 江苏大学硕士学位论文 式中:‰为副叶轮外径处实际静压,;‰为副叶轮内径处实际静压,;缈’ 为副叶轮内液体旋转角速度,/。 由提供的表面积分功能,可以直接读出副叶轮内径处静压抽、外 径处静压‰。 .封压系数的预测 副叶轮的封压系数实际上就是副叶轮的实际封压值与理论封压值之比,即 ? 由于背叶片和副叶轮的工作原理相同,其封压值与封压系数的预测原理也相 同。 .本章小结 本章阐述了带副叶轮动力密封离心泵的流场计算模型和方法;对带副叶轮动 力密封的离心泵一些重要性能扬程、功率、效率、副叶轮动力密封性能指标 封 压值、封压系数进行了分析预测,并得到了预测方法和计算公式。 :生江苏大学硕士学位论文 第三章 带副叶轮动力密封离心泵内部流动数值模拟 .概述 本章是基于雷诺时均方程和.单方程模型,对不带副叶轮动力密封的离心 泵和带副叶轮动力密封结构的离心泵进行定常数值模拟;分析不同流量工况 下带 动力密封结构的离心泵蜗壳、叶轮、动力密封部件内的速度、压力分布等特 性, 探索动力密封结构对离心泵性能的影响规律。 .计算区域与边界条件 ..模型泵参数 本文以保定市中通泵业有限公司的浆泵为模型进行数值模拟 的。该模型的性能设计参数如表所示,几何特征尺寸如表.所示。 表浆泵的性能设计参数 扬程 转速 轴功率 效率 流量 , 比转速。 / / % . . 表浆泵的特征尺寸 特征尺寸 蜗室基圆 蜗室出口直径 蜗室宽度 蜗壳主要 部件 进口直径 外径 出口宽度 主叶轮 . 外径 副叶轮 宽度 叶片数 外径 内径 动力 背叶片. 密封 固定导叶 部件 . 副叶轮江苏大学硕士学位论文 叶轮和蜗室的水力模型分别如图、所示。 . / 一 嘲 , 滁 且 ?\.?、。 、 一/。 霞 一一, ??一.扯玎 剿 一 ??? ? 一 蕾.?? ? 蚓.?? ? 舅., ? 斟. . 囊 囊.?? ? 蕾.? 一 蔓.? ” 曩., 尊.?量. ? 薯. 麓.矗 吨? 奠.?量 .? 矗. ? ?棚 ?.村. 翻 一.? ?? 一.,曩 ? 蕾.,量 ?? 甜。?札, 霸.?纛 ..计算区域与网格 .计算区域 为了能够更准确的模拟带副叶轮动力密封离心泵内部的流动状况,计算模型 包含了离心泵流道和副叶轮动力密封流道,如图.所示。考虑到计算的稳定性 江苏大学硕士学位论文 和速度,忽略了前腔间隙 和口环 图计算区域示意国 酗.为带副叶轮动力密封离,泉的计算医域分解图,从有向庄依次是叶轮 进口延长段、叶轮流道、蜗壳流道、副叶轮动力密封流道背叶片流道、背叶片 径曲间隙、背叶片轴向『日隙、固定导叶流道、剐叶轮流道、副叶轮径向间隙、副 川轮轴向间隙。图.为不带副叶轮动力密封的离心泉计算区域。为了保证模拟 的稳定性,对叶轮流道进【与泵出口都做了适量延伸。圈为副叶轮动力密封 主要部件的实物图。 一一 图带动力密封的离心泵计算区域 图不带动力密封离心泵计算区域江苏大擘硕士学位论文 背叶片 固定导叶 副叶轮 圈动力密封主要部件实物腰 网格划分 由于蜗壳技叶轮形状比较复杂,所以对其流道区域采用非结构旬格来划分。 对于背叶片、副叶轮、固定导叶及间隙这些比较规则的计算区域,采用结构 网格 划分。对于间隙这些特别小的计算区域进行网格加密。边界条件 进口边界条件 进口边界条件采用速度进口边界。根据流量计算出进口速度大小,给定速度 方向,并假定进口端面上速度是均匀连续的,同时给定湍流强度和水力直径。 出口边界条件 出口边界条件采用自由出流。该边界条件适用于出口处的流动是完全发展的 情况,即出口界面上的流动情况由区域内部外推得到,且对其上游流动无影响, 出口的各项参数可由内点外推得到,并满足沿流线方向梯度为。自由出流的数 学表达式为 塑: 锄 式中:口代表九 、;月为出口边界外法线方向。 壁面边界条件 叶轮与蜗壳流道、背叶片与泵体、副叶轮与固定导叶等崮体壁面上速度满足 无滑移边界条件。叶轮、背叶片及副叶轮是旋转部件,旋转方向为轴正方向. 蜗壳、固定导叶及间隙为静止部件,所有的动静结合面.采用模型。江苏大学硕士学位论文 离心泵动力密封结构内部流动分析 副叶轮动力密封是通过副叶轮及背叶片带动由主【轮泄漏山来的液体一起旋 转产生的脏力,?泄漏液体自身的廿山选到动压平衡,进而起到密封的效果。副 叶轮所,“牛封压值与流体经过副叶轮产生的静压降有密切的关系。由于剐轮动 力密封是动态的密封,在副叶轮及背叶片流道内都存在流体的流进与流出,凶此 本章粟用雉力和速度柬分析副叶轮动力密封结构内流场的特性。 本文是对带副叶轮动力密封的离心泵进行了整机的定常‘算。算的流量工 /、 /、 /、口 /、 况有个,叭驴/、 /和:/。为了方便分析,本章仅以小流量工况口/、设计流量工 况/和大流最况口/来进行流场分析。不同工况下压力分布 不同工况下背叶片流道中截面内压力分布 图?、图分别是三种工况的背叶片流道中截血静止及总压分布。从图 以名山:不同工况下,从背叶片内径到外径,背叶片中截面内静压旱逐渐上升 趋势,且静爪梯度不断增大.且工作面的静压明显大。相应位置上的背面上的静 压。片背面‘叶片.作面之间的等压线相对于叶表面倾斜皇较大,而随着流 黾的增加.倾斜度逐渐变小。随着流晕的增加,叫截面的静糙稍减小,静压均 匀性变虾。足随着流量的增加,虽然整体压力宵所下降,似是进出口的压差变 化很小,也就是说再工兄背?片旋转所产生的封压值的变化很小。总压反应了 流体经过背叶片时所增加的能最,从罔中可以再山,同一况下.从内径到外径 处,总压值逐渐上升。 /,、 万 一???二 / 口一:/ 图?背叶片中截面静压分布江苏大学硕士学位论文 口, 麓黧翥 口/ 口“/ 图背叶片中截面总压分布 不同工兄下固定导叶流道内压力分布 冈、图.分别为不同况下导叶中截丽静佧及总压分布。从图中以 看出:静压分布擞小均匀,从固定导叶的内径处到外径处静压稍有提高,这是 因 为从内径到外径的流动过程,过流面积逐渐增大.速度减小,部分动能转化为 静压,致使静压有所提高。同定导叶区域总压分布也并不均匀,从同定导叶的 内 径到外径总捱略有下降.这是斟为液体在进入固定导叶前是旋转的.进入崮 体导 叫后,固定导叶阻挡了液体的旋转,因此固定导叶进【处的压力损失较夫.随 着 液体在同定导叶中的流动,总压随之有所降。 ;/ / “/ 圉导叶中截面静压分布 爨睡鎏陲 日/ 口/ 口/ 图一导叶中截面总压分布江苏大学硕士学位论文 不同工况下副叶轮内压力分布 图、分别足二种工况的副叶轮流道静压及总压分布。从图中可以看卅: 副叶轮中截丽的压力分布和背叶片中截面的分布很相似,这是因为副轮和背 吖 片的『.作原理相同。与背叶片内的山分布相比,副叶轮压力分布更为均匀。 这 是由‘流体经过背叶片、固定导叶的整流作用后,副叶轮外径进口周向压力 分布比较均匀,因此到副叶轮中的雎力分布也比较均匀。 / 口一 口』/ 圈副叶轮内静压分布 彳奎斗 ‖谴 歹?窭谴 国罐锻、傅铝 柚巨??参瞪 / / 口?/ 图剐叶轮内总压分布不同工况下速度分布 阁一是不同工况的背叶片流道及副叶轮流道的相对速度矢量。从图中可以 看叭非叶片流道与副叶轮流道的相对速度欠量分布规律基本一致。在背叶片和 副叶轮流道内都存在相反的速度矢龟,这种现象是由叶轮和叶片及副叶轮兆同 作用的结果。于蜗壳与叶轮之间的】隙存在,蜗壳内部分高压液体通过这问隙 流入背叶”域,口由于背叶片的旋转,这部分世露液体中的一部分从背叶片中 获得额外能景,义经这间隙重新?到蜗壳内。七样,副叶轮中的液体也有类似现江苏犬学硕士学住论文 象。在背叶片流道中部,存在大箍的低速旋涡区,说明径向叶』;的流道对流动的 控制比较弱。随着流髓的土阡加,低速漩涡区范尉扩大。 /??、 尊筹;珏’. 秽妒藿 参 ‖ 爷.堂女’? :吐, 嚣嚣麓蕊鬻篙?嚣 麓黧慧嚣一 麓嚣裂裂裂篇;;一 上一, 十‰ 下口《‰ 图.背叶片左、副叶轮右内相对速度矢量圈 副叶轮动力密封对离心泵内部流动影响分析 木将通过分析小流鬣况/、殴汁流晕:况,和大流精江苏大学硕士学位论文 况/二种况卜带剐叶轮动力密封的离心泵与不带副叶轮动力密封的离 心裂内部流场分靠及其外特性,来分析研究副叶轮动力密封对离心泵忖能的影响。 内流场分析 压力分布 图】、图、图、图.分别为/、/、/ 【况下不带副叶轮动力密封和带副叶轮动力密封的离心泵的静压和总压分布。从 这砦图中可以看出:由蜗壳隔舌的存在.各叶片流道的静压和总?主分布都有明 显的差别;由于叶轮流道均匀分布,静雎沿圆周的分布呈现出 定的周期性。各 工况下,叶轮中的最高静压及总压均位于叶片山口处,最低静压位于叶片进口背 面附近。/和口/。况下,蜗壳出管静压均达到最大值,而在 /::况,静压在蜗壳内部已达到最大.往蜗壳出 管方向稍钉减小的趋 势.并且在扩散管附近宵个明显的低压区。随着流量的增加,离心泉巾截丽静 压 和总压均不断减小。在各况下,在叶轮出隔舌附近,静压变化均很剧烈,这 主要是隔舌对叶轮出流动的一扰而致的。对比带副叶轮动山密封与不带副时轮 动力密封在全流帚范围内均可以发现,在叶轮出与隔舌相接处静址变化剧烈。 小同工况卜,相对于不带副叶轮动力密封的离心泵.带副叶轮动力密封的离心象 中截面静胨和总压均匀性更好,蜗壳内总压更大;随流帚的增加,蜗壳流道内的 压力减小,由背叶片增压后的流体重新回到蜗壳流道时,对蜗壳流道的影响就更 大,这是副叶轮动力密封提高了泵扬程的结果。 一?‘ ,一,一 ‘一一 一:一 、. 二 一 ,。:‖ ?。.“ .. ? 、/ / / 图.不带副叶轮的离心泉流道内静压分布江苏走学硕士学住论文 口一 ,【:?『???一 裟裟勰器器?四四 日’/ 匠。 广口曰? ”?”””?”?;;,,, 。 / / / 图一不带剐叶轮的离心泵流道内总压分布 蘧 麓骚瓣。 ‰ 口/ / 图带副叶轮的离心泵流道内总压分布江苏走学硕士学位论文 速度分布 离心泵中截面绝对速度分布 圈一、墨?分别为,、/、/工况下不带副叶轮 动力密封和带副叶轮动山密封的离心泵绝对速度分布。可以看,带副叶轮与 不 带副轮动力密封的离心泵中截面绝对速度分巾革本一致。不同工况下,各叶 轮 流道内部速分却都比较均匀,叶轮流道内