CN103631992A - 一种自吸泵自吸过程流动模拟的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自吸泵自吸过程流动模拟的计算方法,包括以下步骤:步骤1、以自吸离心泵作为研究对象，利用模拟计算的初始条件进行计算；模拟计算的初始条件的确定方法为：取一段进水管充满空气作为模拟计算的初始条件；步骤2、运用非稳态数值模拟手段对自吸离心泵起动后气液两相流动的瞬态过程进行模拟；步骤3、估算自吸性能参数。具有能效解决离心泵自吸过程的瞬态气液两相流场的模拟问题，了解自吸离心泵启动过程的气液两相的流动过程和状态，有效弥补实验研究手段的不足，节约实验研究手段的资金和时间的投入，并可通过分析气液相流量随时间的变化规律，估算自吸泵自吸性能参数等优点。

Description

一种自吸泵自吸过程流动模拟的计算方法

技术领域

本发明涉及一种自吸泵优化设计技术，特别涉及一种自吸泵自吸过程流动模拟的计算方法。

背景技术

自吸离心泵以其特有的自吸功能广泛应用于石油、石化、化工、电力、冶金、城建等部门。自吸泵起动后先是作为真空泵工作，当进水管中的空气排出后就变成一般水泵工作。因此自吸泵的性能分为自吸性能和水泵性能两部分。自吸性能一般是以泵的自吸时间（或抽气率）和泵的最大自吸高度（或极限真空度）来衡量，通常都是通过试验手段确定。但是试验往往会受到模型尺寸、流场扰动、人身安全和测量精度的限制，无法准确的得到正确结果，且试验方法人力、物力、财力投入巨大，周期时间长。试验结果只能表征外特性参数，无法获知泵内流场的特征和细节。目前基于计算流体力学（Computational FluidDynamics,CFD）的自吸泵气液两相流数值模拟研究，在一定程度上了解了自吸泵内的流动状态和水力性能。现有成果基本上是采用自吸泵入口含气率按某个固定值作为初始条件的处理办法，但现实中自吸泵起动前，一部分进水管充满气体；泵起动后在一段很短的时间内，泵入口的含气率随时间和空间的变化都非常显著，而目前的方法并不能描述含气率变化的特征和趋势，因此上述的模拟计算与实际情况会有较大偏差，并不能很好的代替试验方法。显然目前此类模拟和初始条件设置方式并不能的应用于模拟计算、优化和设计自吸泵。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种自吸泵自吸过程流动模拟的计算方法，该计算方法有效的克服了现有技术中存在的缺点。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种自吸泵自吸过程流动模拟的计算方法，包括以下步骤：

步骤1、以自吸离心泵作为研究对象，利用模拟计算的初始条件进行计算；

步骤2、运用非稳态数值模拟手段对自吸离心泵起动后气液两相流动的瞬态过程进行模拟；

步骤3、估算自吸性能参数。

所述步骤1中，模拟计算的初始条件的确定方法为：采用接近真实自吸情形即取一段进水管充满空气作为模拟计算的初始条件。本发明摒弃了前人模拟计算采用的以自吸泵入口含气率的某个固定值作为初始条件的处理办法。

所述步骤3中，估算自吸性能参数的估算方法为：计算出自吸泵内气液两相分布、压力分布和速度分布与时间的关系以及叶轮入口和泵出口气液相流量随时间的变化，并以此估算自吸性能参数。

本发明用于自吸泵自吸过程流动的模拟，提供了一种更好的自吸泵自吸过程流动模拟计算方法和自吸泵优化设计方法。本发明的工作原理：本发明选取一种常用的立式外混式自吸离心泵作为模拟对象。采用了接近真实自吸情形的设置，即取一段进水管充满空气作为计算的初始条件。运用非稳态数值模拟手段对自吸离心泵起动后气液两相流动的瞬态过程进行模拟。利用计算出的自吸泵内气液两相分布、压力分布和速度分布与时间的关系以及叶轮入口和泵出口气液相流量随时间的变化关系，来估算自吸性能参数。

计算边界条件采用滑移网格进行非稳态计算，设置泵体与叶轮接触的交界面为滑移界面，叶轮域设在转动坐标系，其余区域设在固定坐标系。

控制方程采用多相流VOF方法和标准k-ε湍流模型，计算方法为非定常三维有限体积SIMPLE的隐式算法，时间步长根据自吸泵的转速值和叶片数确定。两相流动、湍动能及湍流耗散率的离散格式均取二阶迎风格式。

以计算得到的自吸泵内气液两相分布、压力分布和速度分布与时间的关系，叶轮入口和泵出口气液相流量随时间的变化规律，估算自吸性能参数。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、采用此发明涉及的计算方法，即采用接近真实自吸情形作为初始条件等前处理设置，可以有效解决离心泵自吸过程的瞬态气液两相流场的模拟问题，由此可估算自吸时间等自吸性能参数；

2、采用本发明涉及的计算方法，即采用CFD方法和本发明的计算设置和方法，可以了解自吸离心泵启动过程的气液两相的流动过程和状态，从而能在较短的时间内预测流场，帮助理解泵体内部流动问题，有效弥补实验研究手段的不足，节约实验研究手段的资金和时间的投入，为实验提供指导，为设计提供参考。

附图说明

图1是本发明模拟计算所使用的自吸泵三维造型图，其中，1表示进水管，2表示蜗壳，3表示气液分离室，4表示储液室，5表示泵体，6表示叶轮，7表示出水管。

图2是本发明的自吸泵数值模拟的初始条件设置对应的气体体积分数分布云图，其中，

表示气体，

表示液体。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，选取一种常用的立式外混式自吸离心泵作为研究对象，应用Pro/E对自吸泵流动域进行三维实体造型，并将其导入ICEM进行结构/非结构网格单元划分，所述立式外混式自吸离心泵包括进水管1、蜗壳2、气液分离室3、储液室4、泵体5、叶轮6和出水管7。

如图2所示，选取水和25℃空气分别作为液相和气相，采用接近真实自吸情形的设置（即：选取一段进水管1充满气体作为计算的初始条件），自吸过程视为等温过程，进出口边界条件根据压力来设置。

自吸泵自吸过程流动模拟的计算采取以下的简化措施：（1）自吸泵以恒定的工作转速运行；（2）选取叶轮6吸入安装高度为200mm，选取进水管1空气吸入段长度为495mm；（3）当自吸泵内95%～99%的空气排除泵体时计算终止。

采用滑移网格进行非稳态计算，设置泵体5与叶轮6接触的交界面为滑移界面，叶轮6域设在转动坐标系，进水管1的进水管域、蜗壳2的蜗壳域、气液分离室3的气液分离室域、储液室4的储液室域和出水管7的出水管域均设在固定坐标系。

控制方程采用多相流VOF方法和标准k-ε湍流模型，计算方法为非定常三维有限体积SIMPLE的隐式算法，时间步长根据自吸泵的转速值和叶轮6叶片数确定。两相流动、湍动能及湍流耗散率的离散格式均取二阶迎风格式。

计算中出现的基本控制方程组如下：

连续性方程： $\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂t}+\▿\·\mathrm{\ρu}=0,---(1-1)$

其中，ρ是密度，t是时间，u是速度矢量。

动量方程： $\frac{\∂\left({\mathrm{\ρu}}_i\right)}{\∂t}+\frac{\∂\left({\mathrm{\ρu}}_i{u}_j\right)}{{\∂x}_j}=\mathrm{\μ}\frac{{\∂}^2{u}_i}{\∂x_j{\∂x}_i}-\frac{\∂P}{{\∂x}_i}+{\mathrm{\ρF}}_i,---(1-2)$

其中，u是速度，μ是动力粘度，P是静压，F是外部体积力。

选取标准k-ε湍流模型，该模型由Launder和Spalding提出，它是在基本控制方程的基础上发展起来的k方程和ε方程相结合而成的完整的湍流模型。这种方法稳定、简单、经济，并在较大的工程范围内具有足够的精度。

湍流能量k输运方程：

$\frac{\∂}{\∂t}\left(\mathrm{\ρk}\right)+\frac{\∂}{\∂x_j}\left({\mathrm{\ρu}}_{i}k\right)=\frac{\∂}{\∂x_j}\left((\mathrm{\μ}+\frac{{\mathrm{\μ}}_t}{{\mathrm{\σ}}_k})\frac{\∂k}{{\∂x}_j}\right)+G_k+G_b-\mathrm{\ρ\ϵ}-Y_M+S_k,---(1-3)$

其中，σ_k为k方程的湍流Prandtl数，σ_k=1；G_k是由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项，G_b、Y_M分别是浮力产生的湍流动能和可压缩湍流中扩散产生的生成项，S_k是用户定义的湍流能量k的源项。

湍流能量粘性耗散率ε输运方程：

$\frac{\∂}{\∂t}\left(\mathrm{\ρ\ϵ}\right)+\frac{\∂}{\∂x_j}\left(\mathrm{\ρ}{u}_i\mathrm{\ϵ}\right)=\frac{\∂}{\∂x_j}\left((\mathrm{\μ}+\frac{{\mathrm{\μ}}_t}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ϵ}}})\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{\∂x_j}\right)+C_{1\mathrm{\ϵ}}\frac{\mathrm{\ϵ}}{k}(G_k+C_{3\mathrm{\ϵ}}{G}_b)-C_{2\mathrm{\ϵ}}\mathrm{\ρ}\frac{{\mathrm{\ϵ}}^2}{k}+S_{\mathrm{\ϵ}},---(1-4)$

其中，C_1ε、C_2ε和C_3ε是常数，C_1ε=1.44，C_2ε=1.92，C_3ε=0.09；σ_ε是ε方程的湍流Prandtl数，σ_ε=1.3；S_ε是用户定义的湍流能量粘性耗散率ε的源项。

利用数值模拟软件CFX对模型进行模拟计算得到了自吸泵内气液两相分布、压力分布和速度分布与时间的关系，叶轮6入口和泵出水管7气液相流量随时间的变化规律，以此估算自吸性能参数。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种自吸泵自吸过程流动模拟的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、以自吸离心泵作为研究对象，利用模拟计算的初始条件进行计算；所述模拟计算的初始条件的确定方法为：取一段进水管充满空气作为自吸过程流动模拟计算的初始条件；

步骤2、运用非稳态数值模拟方法，对自吸离心泵起动后气液两相流动的瞬态过程进行数值模拟；

步骤3、估算自吸性能参数。

2.如权利要求1所述的自吸泵自吸过程流动模拟的计算方法，其特征在于，所述步骤1中，所述自吸过程视为等温过程，所述等温过程的进出口边界条件根据压力来设置。

3.如权利要求1所述的自吸泵自吸过程流动模拟的计算方法，其特征在于，所述步骤2中，对自吸离心泵的所述数值模拟采用滑移网格进行非稳态计算：设置泵体与叶轮接触的交界面为滑移界面，叶轮域设在转动坐标系，进水管域、蜗壳域、气液分离室域、储液室域和出水管域均设在固定坐标系；对自吸离心泵的所述数值模拟的控制方程通过多相流VOF方法和标准k-ε湍流模型来确定，计算所述控制方程的方法为：非定常三维有限体积SIMPLE的隐式算法，所述控制方程的时间步长根据自吸泵的转速值和叶片数确定；所述控制方程的两相流动、湍动能及湍流耗散率的离散格式均取二阶迎风格式。

4.如权利要求1所述的自吸泵自吸过程流动模拟的计算方法，其特征在于,所述步骤3中，估算自吸性能参数的估算方法为：利用计算出的自吸泵内气液两相分布、压力分布和速度分布与时间的关系以及叶轮入口和泵出口气液相流量随时间的变化关系，来估算自吸性能参数。

5.如权利要求1所述的自吸泵自吸过程流动模拟的计算方法，其特征在于，在所述步骤1之前，至少采取以下一种简化措施：（1）自吸泵以恒定的工作转速运行；（2）选取叶轮吸入安装高度为200mm，选取进水管空气吸入段长度为495mm；（3）当自吸泵内95%～99%的空气排出泵体时，计算终止。

6.如权利要求3所述的自吸泵自吸过程流动模拟的计算方法，其特征在于,所述非稳态计算采用滑移网格进行计算，设置泵体与叶轮接触的交界面为滑移界面，叶轮域设在转动坐标系，进水管域、蜗壳域、气液分离室域、储液室域和出水管域均设在固定坐标系。

7.如权利要求3所述的自吸泵自吸过程流动模拟的计算方法，其特征在于,所述控制方程的基本控制方程组如下：

连续性方程： $\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂t}+\▿\·\mathrm{\ρu}=0,---(1-1)$

其中，ρ是密度，t是时间，u是速度矢量；

动量方程： $\frac{\∂\left({\mathrm{\ρu}}_i\right)}{\∂t}+\frac{\∂\left({\mathrm{\ρu}}_i{u}_j\right)}{{\∂x}_j}=\mathrm{\μ}\frac{{\∂}^2{u}_i}{\∂x_j{\∂x}_i}-\frac{\∂P}{{\∂x}_i}+{\mathrm{\ρF}}_i,---(1-2)$

其中，u是速度，μ是动力粘度，P是静压，F是外部体积力；

所述标准k-ε湍流模型中的湍流能量k的输运方程如下：

$\frac{\∂}{\∂t}\left(\mathrm{\ρk}\right)+\frac{\∂}{\∂x_j}\left({\mathrm{\ρu}}_{i}k\right)=\frac{\∂}{\∂x_j}\left((\mathrm{\μ}+\frac{{\mathrm{\μ}}_t}{{\mathrm{\σ}}_k})\frac{\∂k}{{\∂x}_j}\right)+G_k+G_b-\mathrm{\ρ\ϵ}-Y_M+S_k,---(1-3)$

其中，σ_k为k方程的湍流Prandtl数，σ_k=1；G_k是由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项，G_b、Y_M分别是浮力产生的湍流动能和可压缩湍流中扩散产生的生成项，S_k是用户定义的湍流能量k的源项；

所述标准k-ε湍流模型中的湍流能量粘性耗散率ε的输运方程如下：

$\frac{\∂}{\∂t}\left(\mathrm{\ρ\ϵ}\right)+\frac{\∂}{\∂x_j}\left(\mathrm{\ρ}{u}_i\mathrm{\ϵ}\right)=\frac{\∂}{\∂x_j}\left((\mathrm{\μ}+\frac{{\mathrm{\μ}}_t}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ϵ}}})\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{\∂x_j}\right)+C_{1\mathrm{\ϵ}}\frac{\mathrm{\ϵ}}{k}(G_k+C_{3\mathrm{\ϵ}}{G}_b)-C_{2\mathrm{\ϵ}}\mathrm{\ρ}\frac{{\mathrm{\ϵ}}^2}{k}+S_{\mathrm{\ϵ}},---(1-4)$

其中，C_1ε、C_2ε和C_3ε是常数，C_1ε=1.44，C_2ε=1.92，C_3ε=0.09；σ_ε是ε方程的湍流Prandtl数，σ_ε=1.3；S_ε是用户定义的湍流能量粘性耗散率ε的源项。

Images