CN104598674B - 基于能量梯度理论的分流叶片进口直径确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于能量梯度理论的分流叶片进口直径确定方法。本发明包括如下步骤：步骤(1).模拟离心泵内的流动物理参数；步骤(2).计算整个流场的能量梯度函数K；步骤(3).改变分流叶片进口直径，计算获得整个流场的能量梯度函数K值；步骤(4).对比不同分流叶片进口直径，确定最优分流叶片进口直径。本发明利用CFD技术和能量梯度理论，通过对比不同分流叶片进口直径下能量梯度函数K值的大小，来确定最优的分流叶片进口直径。得到的最优分流叶片进口直径的离心泵，可以减小部分工况条件下离心泵叶轮内的不稳定现象，进而提高离心泵的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于叶轮机械领域，涉及离心泵，具体涉及一种基于能量梯度理论的分流叶片进口直径确定方法。
背景技术
离心泵作为当代最主要的动力装置之一，广泛应用于国民经济的各部门以及航空航天等尖端技术领域。提高离心泵的效率,可以充分利用有限能源，提高的经济效益。因此，提高离心泵的研究和设计水平，对国民经济发展、节约能源和环境保护有重要的影响。叶轮机械主要是指采用液体作为介质的工作机，主要是离心泵。泵是叶轮机械的一种，也是应用非常广泛的通用机械，可以说凡是有液体流动的领域，就有泵的工作。随着科学技术的发展，泵的应用领域正在迅速扩大，据不同国家统计，泵的耗电量都约占各国总发电量的1/5，可见泵的耗能巨大，因而提高泵技术水平对节约能源具有重要意义。
分流叶片(又称短叶片或小叶片)设计方法采用了长、短叶片间隔布置，可以有效的改善叶轮内流场分布，提高叶轮压比，提高运行的稳定性。合理添加分流叶片可以有效的改善流道出口的射流-尾迹现象，扬程可以得到明显的提高，减小圆盘摩擦损失，达到提高效率的目的。分流叶片的设计需要考虑到分流叶片进口直径Dsi、分流叶片偏置度以及分流叶片偏转角等因素。Dsi直接关系到分流叶片的作用长度，太长会阻塞叶轮进口，达不到要求流量范围，太短起不到改善叶轮出口射流-尾迹结构、提高离心泵效率等作用。因此分流叶片进口直径Dsi的位置对离心泵运行的稳定性以及整体性能都有着重要的影响。
发明内容
本发明的目的是针对现有研究的不足，提供一种基于能量梯度理论的分流叶片进口直径确定方法，以能量梯度函数K值的分布作为选择合适叶轮叶片数的依据，以叶轮K值最小的分流叶片直径Dsi作为离心泵分流叶片的最优进口直径，优选后的离心泵叶轮部分的流动不稳定情况有所改善，流动情况得到明显的提高。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
步骤(1).模拟离心泵内的流动物理参数；
利用CFD技术模拟离心泵内的流动，得到整个流场的物理参数；所述的物理参数包括速度、压强、流线等参数，具体获取如下：
针对任一工况条件下的离心泵，采用CFD技术对离心泵内的非定常流动进行数值模拟，控制方程采用三维不可压缩的雷诺平均纳维-斯托克斯方程，并利用有限体积法对控制方程在空间上进行离散；时间推进采用半隐式的格式；然后，在计算域上施加边界条件，分别在给定的几何参数和不同的流动条件下，进行模拟计算，并获得流场物理参数，包括速度、压强和流线分布。
步骤(2).计算整个流场的能量梯度函数K；
根据能量梯度理论，离心泵内的能量梯度函数K的计算公式为：
式(1)中为流体总压，H为流体的能量损失，U为速度大小，p为流体静压，μt为湍流粘度，ρ为流体密度；n为流体流动的法线方向，s为流体流动的流线方向。K值是一个无因次的流场函数，表示的是法向能量梯度与流向能量损失的比值。当流场中的扰动变化不大时，层流状态下，K值越大的位置，流动越容易发生失稳，越容易向湍流转捩；湍流状态下，K值越大的位置，湍流强度越高。
步骤(3).改变分流叶片进口直径，计算获得整个流场的能量梯度函数K值；
步骤(4).对比不同分流叶片进口直径，确定最优分流叶片进口位置；
根据能量梯度函数K值的分布，判断流动离心泵叶轮部分流动的稳定性情况，判断的标准是K值越大，流动越不稳定，K值较大的区域越大，流动的稳定性越差。
本发明的有益效果
本发明利用CFD技术和能量梯度理论，通过对比不同分流叶片进口直径Dsi下能量梯度函数K值的大小，来确定最优的分流叶片进口直径。得到最优的离心泵其扬程和效率都有一定的改善，且部分工况条件下离心泵叶轮内的不稳定现象也有所改善，进而提高离心泵的稳定性。
附图说明
图1为分流叶片的进口直径确定方法流程图。
图2为分流叶片的进口直径Dsi＝0.7D2叶轮剖面图。
图3为分流叶片的进口直径Dsi＝0.6D2叶轮剖面图。
图4为分流叶片的进口直径Dsi＝0.5D2叶轮剖面图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，一种基于能量梯度理论的分流叶片进口直径确定方法，具体包括如下步骤：
步骤(1).模拟原型离心泵内的流动物理参数
1-1.利用CFD技术模拟离心泵内的流动，得到整个流场的物理参数；
所述的物理参数包括速度、压强、流线，具体获取如下：
针对任一工况条件下的离心泵，采用CFD技术对离心泵内的非定常流动进行数值模拟，控制方程采用三维不可压缩的雷诺平均纳维-斯托克斯方程，时间推进采用半隐式的格式；然后，在计算域上施加边界条件，分别在给定的几何参数和不同的流动条件下，进行模拟计算，并获得流场物理参数，包括速度、压强和流线分布。
步骤(2).计算整个流场的能量梯度函数K具体如下：
2-1.根据窦华书教授的能量梯度理论，推导出应用于离心泵内部流动的能量梯度函数公式；
根据能量梯度理论，离心泵内的能量梯度函数K的计算公式为：
式(1)中为流体总压，H为流体的能量损失，U为速度大小，p为流体静压，μt为湍流粘度，ρ为流体密度；n为流体流动的法线方向，s为流体流动的流线方向。K值是一个无因次的流场函数，表示的是法向能量梯度与流向能量损失的比值。当流场中的扰动变化不大时，层流状态下，K值越大的位置，流动越容易发生失稳，越容易向湍流转捩；湍流状态下，K值越大的位置，湍流强度越高。
步骤(3).改变分流叶片进口直径，计算获得整个流场的能量梯度函数K值具体如下：
3-1.针对离心泵内流动情况，改变分流叶片的进口直径，分流叶片的进口直径用Dsi表示，叶轮的直径用D2表示。如图3所示原型离心泵分流叶片的进口直径为Dsi＝0.6D2，改变后叶轮叶片的进口直径分别为Dsi＝0.5D2(如图4所示)、Dsi＝0.7D2(如图2所示)。然后利用CFD技术模拟离心泵内的流动，得到整个流场的物理参数；
步骤(4).所述的对比不同叶片数能量梯度函数K值分布，找到最优叶片数具体如下：
4-1.根据能量梯度函数K值的分布，判断流动离心泵叶轮部分流动的稳定性情况，判断的标准是K值越大，流动越不稳定，K值较大的区域越大，流动的稳定性越差。
分流叶片的进口直径Dsi直接关系到分流叶片的作用长度，太长会阻塞叶轮进口，达不到要求流量范围，太短起不到改善叶轮出口射流-尾迹结构、提高离心泵效率等作用。当分流叶片的进口直径Dsi＝0.5D2时，分流叶片相对较短，在流道中所起到的作用不明显，且流道出口的射流-尾迹现象没有得到很好的改进。当分流叶片的进口直径Dsi＝0.6D2时，相比Dsi＝0.5D2，流道中的流动情况有所改善，射流-尾迹现象也有一定改进但还不够明显。当分流叶片进口直径Dsi＝0.7D2时，流道出口的射流-尾迹现象得到明显的改善。当分流叶片的进口直径过大时，会阻塞流道，使得整体的流动情况变差。当分流叶片的进口直径从0.5D2增加至0.7D2时，流道中K值较大的区域在逐渐减小，流场也变得均匀。因此，分流叶片的最佳进口直径Dsi＝0.7D2。
Claims (2)
1.基于能量梯度理论的分流叶片进口直径确定方法；其特征在于包括如下步骤：
步骤(1).模拟离心泵内的流动物理参数；
步骤(2).计算整个流场的能量梯度函数K；
步骤(3).改变分流叶片进口直径，计算获得整个流场的能量梯度函数K值；
步骤(4).对比不同分流叶片进口直径，确定最优分流叶片进口位置；
步骤(1)所述的模拟离心泵内的流动物理参数参数具体如下：
利用CFD技术模拟离心泵内部流体流动，得到整个流场的物理参数；
所述的物理参数包括水流速度、压强分布、流线分布具体获取如下：
针对任一工况条件下的离心泵，采用CFD技术对离心泵内部流动进行三维数值模拟，模拟过程中控制方程采用三维不可压缩的平均雷诺纳维-斯托克斯方程和连续性方程模拟离心泵内的流体流动，并利用有限体积法对控制方程在空间上进行离散；时间推进采用半隐式的格式；然后，在计算域上施加边界条件，分别在给定的几何参数和不同的流动条件下，进行模拟计算，并获得流场物理参数，包括水流速度、压强和流线分布；
所述的对比不同分流叶片进口直径，确定最优分流叶片进口位置具体如下：
根据能量梯度函数K值的分布，判断流动离心泵叶轮部分流动的稳定性情况，判断的标准是K值越大，流动越不稳定，K值较大的区域越大，流动的稳定性越差；当Dsi＝0.7D2时，叶轮流道中K值较大的区域减小到最少，流场也相应变得更加均匀，可以起到明显改善叶轮出口射流-尾迹结构，提高整体流动性能的作用，Dsi表示分流叶片的进口直径，D2表示叶轮的直径。
2.如权利要求1所述的基于能量梯度理论的分流叶片进口直径确定方法；其特征在于步骤(2)所述的计算整个流场的能量梯度函数K具体如下：
2-1.根据能量梯度理论，推导出应用于离心泵内部流动的能量梯度函数公式；
根据能量梯度理论，离心泵内的能量梯度函数K的计算公式为：
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式(1)中为流体总压，H为流体的能量损失，U为速度大小，p为流体静压，μt为湍流粘度，ρ为流体密度；n为流体流动的法线方向，s为流体流动的流线方向；K值是一个无因次的流场函数，表示的是法向能量梯度与流向能量损失的比值；当流场中的扰动变化不大时，层流状态下，K值越大的位置，流动越容易发生失稳，越容易向湍流转捩；湍流状态下，K值越大的位置，湍流强度越高。
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