CN104696233B - 一种离心泵内部流场数值模拟结果的校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种离心泵内部流场数值模拟结果的校准方法。本发明通过对离心泵原型叶顶间隙与压水室出口等特定区域的机械改造，实现这些特定测量区域的透明可视。利用PIV技术测量这些特定区域的瞬态整场速度分布，同时获取其区域平均速度等统计特征参数，进而对比分析所述特定区域上PIV实验结果与数值仿真结果，包括速度矢量在该特定区域的整体分布特性、平均速度等统计特征参数，定量检验数值结果的准确度，反复改变数值过程的关键参数如流体域、网格、初始条件、计算模型等以修正数值结果，由此达到校准离心泵内流场数值结果的目的。本发明方法实验成本低、周期短、具有更强的适用性与可行性。
Description
技术领域
本发明涉及一种离心泵内部流场数值模拟结果的校准方法。
背景技术
泵是一种量大面广、消耗能量大的通用机械设备。据中国泵协统计，2010年全国泵行业年总产值1000亿元以上，每年全国发电量的20-25%要消耗在泵类产品上。在所有泵类产品中，离心泵泵具有结构简单、使用维修方便、流量大、扬程较高等优点，在石化、矿山、冶金、电力以及城市给排水、污水处理等行业用量巨大，提高离心泵的效率对于全国节能减排目标的实现具有关键意义。以大功率双吸离心泵为例，我国在这类离心泵的技术研究和生产水平尤其落后，与国外同类产品相比存在着较大的差距。目前，国内双吸泵主要生产厂家有沈阳水泵厂、上海水泵厂以及浙江飞旋泵业有限公司等。国内生产的双吸泵产品主要是60年代从苏联引进的SH型以及S型为主，但是，这两类产品效率普遍不高，尤其是在比转速较低时，其效率甚至低于70%，与国际泵业巨头（德国KSB公司、日本茬原公司）生产的双吸泵存在着较大的差距。在2008年国际金融危机后，我国提出了“加快淘汰落后产能、推进产业结构升级”的口号，一些性能落后、效率较低的双吸泵产品必将被淘汰，因而诸如高效双吸泵等大功率离心泵的开发与产业化对于我国企业占领市场、提高核心竞争力就显得尤为迫切。
离心泵是应用最广泛的流体机械之一，在大量的工业及农业环境中广泛应用，它具有流量大、结构简单、制造工艺成熟、装配检修方便、扬程较高等优点。其中低比转速离心泵一直存在效率不高，内部流动不稳定等问题。随着现代流场测试技术及CFD（计算流体力学）技术的发展，对离心泵开展PIV（粒子图像测速技术）内部流动测试及动静耦合的非定常全流场数值模拟是当前国内外泵领域研究的重点和热点。然而，国内离心泵效率合格率远低于国际水平，如双吸泵的效率合格率仅为40.1%。要提高双吸泵的效率，一种先进而有效的方法是分析双吸泵的内部流动，并通过结构参数的改变使流动损失减少。但由于双吸内部流动是一种复杂的三维非定常湍流运动，随着运行工况的变化，常伴有流动分离、汽蚀、二次流和尾迹流等流动现象。长期以来，研究人员主要采用理论分析、实验研究和数值模拟等手段对双吸泵内部流场开展研究工作。
由于理论分析很难真实地反映复杂的内部流动现象，而传统实验研究则是成本高，周期长，实验的操作手段，数据的精确性和可靠性都受测试仪器和环境的制约。因此理论分析和实验研究在离心泵内部流场研究过程中存在着很大的局限性。随着计算机性能的提高和计算流体力学(CFD)方法的发展，近年来用数值计算的方法直接研究离心泵内部三维粘性流动已引起了水泵行业越来越多的重视它可以模拟流场的情况，指导水力机械低比转速离心泵叶轮及蜗壳内部流场的数值计算与分析的设计甚至预估性能。
离心泵是叶片式流体机械的一种。叶片式流体机械的蜗壳和叶轮结构复杂，内部的流体运动是非稳态的三维粘性湍流场，要严格按其流动模型解析分析泵内流场非常困难。由于叶轮机械内流场的复杂性，近20年来主要采用数值模拟方法来对其进行研究。目前的离心泵的蜗壳和叶轮的复杂流场计算是基于Naiver-Stokes和k-ε湍流模型，采用有限体积法求解三维的非稳态、不可压流场，进而得到清水流场的压力和速度矢量的信息。现在越来越多的人倾向于将叶轮和蜗壳的流场联合计算，以便得到更加符合实际的结果。总的来说，建立反映离心泵的内部流动规律的合理数学、物理模型，运用专业的CFD软件对内部流动进行数值模拟，已经成为高效率离心泵研发的最重要手段。
尽管如此，无论数值模拟采用的理论与算法如何先进，最终都需要由实验进行验证，以确保仿真结果的可靠性。如前人曾采用传统的流动显示技术测试低转速径向叶轮离心泵内的流场，发现叶轮出口的流动并不均匀，在叶轮出口处的叶片吸力面上有死水区存在，且叶片压力面在大流量时有流动分离的现象，由此推翻了传统叶轮机械内部轴对称的流动假设。离心泵的内部流场复杂，带有强烈的非定常性，并常常伴有气蚀等过程，因此对其测量有很大的难度。叶轮本身的旋转，吸水室和压水室三维空间的复杂性等因素也加大了检测泵内流场的难度。可见，采用传统的接触式测量方法（压力探针（传感器）和热线测速技术）很难全面、准确获取泵内部流场信息，而探针本身也无法避免对流场的扰动，有时还需复杂的遥感技术将采集信号从转子传递到静止参考系。相比之下，非接触测量方法则更适于离心泵内部流动特性的检测。所述非接触测量方法主要包括流动显示技术，激光多普勒测速（LDV）、粒子成像测速技术（PIV）等。其中，PIV测速技术是近三十年发展起来的整场流场检测技术，打破了传统定量流场测量技术为单点测量的局限，可以准确捕捉待测流场的瞬时流场特性。PIV在离心泵和压缩机转子内部流动检测方面也有很多应用。相关结果表明，PIV技术能够较好应用于叶轮机械内部流场的测量。CFD与PIV技术结合，推动了对泵内流动规律的认识和设计技术的发展；更多的采用优化技术，使泵的优化由局部向整体发展，由叶轮向全部过流部件发展；由流线向流面、流场发展由静态向动态发展。
但是，到目前为止，采用PIV的相关研究都局限于较低比转速以及较小尺寸的离心泵，这主要是由于PIV应用于泵内部流场测量时，要求待测区域的壁面必须是透明的，以便CCD相机捕捉粒子图像，对于小泵而言，虽然成本昂贵，但仍可以将其泵壳，甚至叶轮都采用透明材料进行加工，以满足PIV的测试要求，其成本尚可接受；对于大泵而言，同样加工出透明的整机价格将非常昂贵，是不切实际的，而一般的透明材料也难以承受大泵的内部流场导致的应力。因此，对于大尺寸、大功率、高转速的离心泵还未见过应用PIV技术的实验研究。针对该问题，本发明提出一种根据泵内流场数值结果校准需要，稍加改造离心泵原型特定区域，并对其进行PIV测量获取局部流场场分布的实验方法，对比分析实验与数值结果，由此提高数值结果的可信度，充分发挥数值结果在离心泵研发设计上的应用优势，如泵内流场的压力分布及汽蚀等。
发明内容
本发明的目的是针对目前离心泵特别是大型离心泵内部流场数值结果实验校准技术的不足，提供了一种基于PIV技术的离心泵内流场数值结果的校准方法。该方法通过对离心泵原型叶顶间隙与压水室出口等特定区域的机械改造，实现这些特定测量区域的透明可视。利用PIV技术测量这些特定区域的瞬态整场速度分布，同时获取其区域平均速度等统计特征参数，进而对比分析所述特定区域上PIV实验结果与数值仿真结果，包括速度矢量在该特定区域的整体分布特性、平均速度等统计特征参数，定量检验数值结果的准确度，反复改变数值过程的关键参数如流体域、网格、初始条件、计算模型等以修正数值结果，由此达到校准离心泵内流场数值结果的目的。
为实现上述发明目的，本发明方法是在离心泵蜗壳的压水室叶顶间隙开有1~3个近似以叶轮旋转中心轴线为中心的扇形窗口，在压水室出口开有1个近似为矩形与离心泵叶轮中心回转面平行的窗口。各窗口由透明有机玻璃等高强度透明盖板通过螺栓固定在泵壳上，透明盖板与泵壳之间垫有密封圈，紧固的螺栓沿透明盖板四周均匀分布。在各窗口于叶轮中心回转面的投影靠近泵壳外缘一侧分别开有细缝，细缝长度覆盖窗口相应侧面的边缘长度，同时其两端分别留有一定的延伸长度，细缝由透明有机玻璃等高强度透明盖板通过螺栓固定在泵壳上，透明盖板与泵壳之间垫有密封圈，紧固的螺栓沿透明盖板四周均匀分布。进行泵内流场PIV测量时，激光片光通过所述细缝透过透明盖板照亮测量区域，测量区域的粒子图像则由CCD相机透过相应测量区域的窗口进行捕捉，示踪粒子则采用玻璃微珠、罗丹明等事先均匀混入循环水池。在水泵运行一段时间后自行混合均匀；粒子图像的采集为激光的触发与CCD相机的捕捉同步进行，并在给定的非常小的时间间隔内拍摄两幅粒子图像，组成一对，得到粒子图像对.
将采集的粒子图像对经图像处理，得到图像上每个微分区域在所述时间间隔内的位移，由于所述时间间隔是给定的，因此测量区域内每个微分区域的速度由位移除以时间间隔可得，由此可得测量区域内的场瞬态速度分布.
与此同时，对所述离心泵进行三维建模，获取所述离心泵的三维流体区域，而后对所得流体区域进行网格划分，获得数值模拟所需的离心泵网格；在与实验结果相同的进出口条件下通过选择合适的湍流模型、边界与初始条件及流体物性求解N-S方程，初步求得离心泵内流场的数值模拟结果；最后从全局数值结果中抽取出PIV测量区域内的速度分布，由PIV实验结果对所得数值模拟结果进行校准：该校准是指对数值模拟方案进行调整优化以获得满足准确度要求的数值结果；所述数值模拟方案调整优化采用网格重新划分、湍流模型、边界与初始条件、迭代方法的调整，进一步改进优化数值结果，使之与PIV实验结果相吻合，反复进行调整直至数值模拟结果与PIV实验结果的偏差达到实际要求，最终确立准确可靠的离心泵内流场数值模拟方案。
所述的水泵原型为任一尺寸、型号的离心泵。
所述的叶顶间隙扇形窗口沿叶轮的包络圆周接近均匀分布，窗口的高度H y 为叶轮中心回转面上过窗口中心线的压水室壁面与叶轮旋转中心轴线之间的距离R w 与叶轮外缘半径R y 的差值（R w -R y ），窗口的长度L y 为1D o ~2D o ，D o 为水泵出口直径。
所述的压水室出口的窗口高度H o 为0.8D o ~1.2D o ，长度L o 为1D o ~2D o 。
所述的细缝与各透明窗口一一对应，并完全覆盖各窗口在叶轮中心回转面上的投影靠近压水室壁面一侧的外缘，同时细缝两侧分别向外延伸5mm-10mm，所述细缝的宽度为2mm-4mm。
所述透明盖板的厚度根据材料与水泵内部压力的不同为10mm-30mm。
所述螺栓根据离心泵内部压力的不同为M6~M20。
所述PIV实验的判问域为透明窗口在与透明窗口平行且过相应细缝中心线的平面上的投影区域。
所述离心泵内的数值模拟结果与实验采用的离心泵原型具有相同的几何尺寸及结构、相同的进口流量，对比分析时从数值结果中预先提取出与PIV实验判问域对应的窗口范围内的速度矢量场。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：
1、针对目前离心泵特别是大型离心泵内部流场数值结果实验校准技术的不足，提供了一种基于PIV技术的离心泵内流场数值结果的校准方法；通过直接在离心泵原型上的叶顶间隙、压水室出口上游等特定区域的机械改造，实现这些特定测量区域的透明可视及激光片光的透射以照亮这些离心泵内区域。利用PIV技术测量这些特定区域的瞬态整场速度分布，同时获取其区域平均速度等统计特征参数，进而对比分析所述特定区域上PIV实验结果与数值仿真结果，包括速度矢量在该特定区域的整体分布特性、平均速度等统计特征参数。同时选择压水室出口上游与多个页顶间隙作为测量区域可以更加全面准确地反映离心泵内全局流场信息。通过定量检验数值结果的准确度，反复改变数值仿真过程的关键参数及模型如流体域、网格、初始条件、湍流模型等以修正数值结果，由此达到校准离心泵内流场数值结果的目的。
2、本发明方法实验成本低、周期短。由于PIV测量的离心泵模型是在其原型上直接进行机械改造得到的，因此相比于传统的水泵PIV测量模型为整机透明或是压水室盖板之一加工成透明，其测量模型的制造难度及加工成本将大大降低。与此同时，本发明方法避免了模型制造的重新开模、铸造等复杂加工工艺环节，改造本身加工难度因此降低同时的，模型加工周期大大缩短。
3、本发明具有更强的适用性与可行性，特别是是对于大尺寸、大功率离心泵，获取PIV实验结果时：一方面，整体或大面积蜗壳透明化不仅加工难度大，并且其成本是非常昂贵；另一方面，一般单套PIV系统的测量区域特征尺度小于300mm，而一般数十千瓦以上的离心泵其叶轮中心回转面都会超过这个尺度。综上两个方面，超过该尺度的大型离心泵的全局流场是无法捕捉的，而相应的数值仿真结果便因此无法得到有效的校准、验证。本发明方法采用直接改造离心泵原型为PIV实验测量模型，PIV技术可以非常方便地获取离心泵内（特别是大型离心泵内）若干关键局部区域的流场，作为相同型号离心泵数值结果的校准依据，数值结果不仅可以从区域平均速度等宏观统计参数上得到校准，还可以从速度局部区域的特征分布得到校准，这为数值方法的优化及最终准确可靠数值结果的获得打下坚实的基础，区别于国标中采用的传统水泵特性测定方法。
附图说明
图1适于PIV测量的双吸离心泵原型局部改造的结构示意图；
图2图1中A-A局部剖面示意图；
图3图1中B-B局部剖面示意图；
图4不同流量下测量区域12的区域平均速度的变化曲线；
图5不同流量下测量区域4的区域平均速度变化曲线；
图6（a）离心泵出口流量为195（m3/h）测量区域4的时均速度等势图的PIV测量结果；
图6（b）离心泵出口流量为195（m3/h）测量区域4的时均速度等势图的数值结果；
图7（a）离心泵出口流量为80（m3/h）测量区域4的时均速度等势图的PIV测量结果；
图7（b）离心泵出口流量为80（m3/h）测量区域4的时均速度等势图的数值结果；
图8（a）离心泵出口流量为165（m3/h）测量区域12的时均速度等势图的PIV测量结果；
图8（b）离心泵出口流量为165（m3/h）测量区域12的时均速度等势图的数值结果；
图9（a）离心泵出口流量为130（m3/h）测量区域12的时均速度等势图的PIV测量结果；
图9（b）离心泵出口流量为130（m3/h）测量区域12的时均速度等势图的数值结果。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。
如图1-3所示，以双吸离心泵为例，本发明的具体实施方案为：
首先，对双吸离心泵原型泵体进行局部机械改造，以满足PIV测量的要求，为获取泵内流场打下良好的基础。改造即在离心泵蜗壳的压水室叶顶间隙开有1~3个近似以叶轮旋转中心轴线为中心的扇形窗口4，在压水室出口14上游一侧开有1个近似为矩形且与离心泵叶轮中心回转面接近平行的窗口12。各窗口由透明有机玻璃等高强度透明盖板5、11通过螺栓15固定在泵壳6的盖板承台3、8上，透明盖板5、11与泵壳6之间垫有密封圈1、9，紧固的螺栓15沿透明盖板四周均匀分布，以保证水泵工作时的密封性。在各窗口于叶轮中心回转面的投影靠近泵壳外缘一侧分别开有细缝7、16，细缝长度覆盖窗口相应侧面的边缘长度，同时其两端分别留有一定的延伸长度，细缝由透明有机玻璃等高强度透明盖板1、10通过螺栓15固定在泵壳上，透明盖板与泵壳之间垫有密封圈，紧固的螺栓也沿透明盖板四周均匀分布。进行泵内流场PIV测量时，激光片光通过所述细缝7、16透过透明盖板1、10照亮测量区域，测量区域的粒子图像则由CCD相机透过相应测量区域的窗口4、12进行捕捉，示踪粒子则采用玻璃微珠、罗丹明等事先均匀混入循环水池，在水泵运行一段时间后自行混合均匀。所述粒子图像是指CCD相机采集的测量区域4、12的图像上有示踪粒子在特定波长（PIV系统一般采用532nm）激光的激发下，发生能级跃迁而散射出区别于背景灰度的荧光。粒子图像的采集为激光的触发与CCD相机的捕捉同步进行，并在给定的非常小的时间间隔内拍摄两幅粒子图像，组成一对，称之为粒子图像对。所述时间间隔，根据流场的速度大小与分布有所不同，一般为毫秒或微秒级。将采集的粒子图像对经图像的相关算法处理，即可得到图像上每个微分区域在所述时间间隔内的位移，由于所述时间间隔是给定的，因此测量区域内每个微分区域的速度由位移除以时间间隔可得，由此可得测量区域4、12内的场瞬态速度分布。采用上述实验方法获取的不同双吸离心泵出口流量下测量区域4、12的区域平均速度曲线分别如图4、图5所示，相应的时均速度分布则分别由图6（a）、图7（a）与图8（a）、图9（a）给出。
与此同时，对所述双吸离心泵进行三维建模，获取所述双吸离心泵的三维流体区域，而后对所得流体区域进行网格划分，获得数值模拟所需的双吸离心泵网格。在与实验结果相同的进口13、出口14条件下（所述条件一般为进出口压力或流量）通过选择合适的湍流模型、边界与初始条件及流体物性等数值求解N-S方程，初步求得双吸离心泵内流场的数值模拟结果。最后从全局数值结果中抽取出PIV测量区域4、12内的速度分布。上述数值方法初步计算获取的不同双吸离心泵出口流量下测量区域4、12的区域平均速度曲线分别如图4、图5所示，相应的时均速度分布则分别由图6（b）、图7（b）与图8（b）、图9（b）给出。
由PIV实验结果对所得数值结果进行校准，具体实施方法如下：
通过对比分析图4与图5的数值结果与实验结果可知，测量区域4、12的区域平均速度随离心泵出口流量的不同其变化趋势总体上较为一致，但在局部流量点出现较大偏差；比较不同流量下测量区域4、12的时均速度分布可知，测量区域4的数值结果与实验结果更为一致，而在区域12这两者的偏差较大。上述两点都表明初步的数值模拟结果与实验结果虽然总体上较为接近但仍不够精确，需要对数值模拟方案进行调整优化以获得满足准确度要求的数值结果。所述数值模拟方案调整优化，如网格重新划分、湍流模型、边界与初始条件、迭代方法的调整等等，进一步改进优化数值结果，使之与实验结果相吻合，反复进行上述步骤直至数值与实验结果的偏差达到实际要求，最终确立准确可靠的离心泵内流场数值模拟方案。
本发明方法通过上述方案实现对离心泵内部流场数值模拟结果的校准。
Claims (9)
1.一种离心泵内部流场数值模拟结果的校准方法，其特征在于：在离心泵蜗壳的压水室叶顶间隙开1～3个近似以叶轮旋转中心轴线为中心的扇形窗口，在压水室出口开有1个与离心泵叶轮中心回转面平行的近似为矩形的窗口；各窗口由高强度透明盖板通过螺栓固定在泵壳上，透明盖板与泵壳之间垫有密封圈，紧固的螺栓沿透明盖板四周均匀分布；在各窗口于叶轮中心回转面的投影靠近泵壳外缘一侧分别开有细缝，细缝长度覆盖窗口相应侧面的边缘长度，同时其两端分别留有一定的延伸长度，细缝由高强度透明盖板通过螺栓固定在泵壳上，透明盖板与泵壳之间垫有密封圈，紧固的螺栓沿透明盖板四周均匀分布；
进行泵内流场PIV实验测量时，激光片光通过所述细缝透过透明盖板照亮测量区域，测量区域的粒子图像则由CCD相机透过相应测量区域的窗口进行捕捉，示踪粒子则采用玻璃微珠或罗丹明事先均匀混入循环水池，在水泵运行一段时间后自行混合均匀；粒子图像的采集为激光的触发与CCD相机的捕捉同步进行，并在给定的非常小的时间间隔内拍摄两幅粒子图像，组成一对，得到粒子图像对；
将采集的粒子图像对经图像处理，得到图像上每个微分区域在所述时间间隔内的位移，由于所述时间间隔是给定的，因此测量区域内每个微分区域的速度由位移除以时间间隔可得，由此可得测量区域内的流场瞬态速度分布；
与此同时，对所述离心泵进行三维建模，获取所述离心泵的三维流体区域，而后对所得流体区域进行网格划分，获得数值模拟所需的离心泵网格；在与实验结果相同的进出口条件下通过选择合适的湍流模型、边界与初始条件及流体物性求解N-S方程，初步求得离心泵内流场的数值模拟结果；最后从全局数值结果中抽取出PIV测量区域内的速度分布，由PIV实验结果对所得数值模拟结果进行校准：该校准是指对数值模拟方案进行调整优化以获得满足准确度要求的数值结果；所述数值模拟方案调整优化采用网格重新划分、湍流模型、边界与初始条件、迭代方法的调整，进一步改进优化数值结果，使之与PIV实验结果相吻合，反复进行调整直至数值模拟结果与PIV实验结果的偏差达到实际要求，最终确立准确可靠的离心泵内流场数值模拟方案。
2.根据权利要求1所述的一种离心泵内部流场数值模拟结果的校准方法，其特征在于：所述粒子图像是指CCD相机采集的测量区域的图像上有示踪粒子在选定波长激光的激发下，发生能级跃迁而散射出区别于背景灰度的荧光。
3.根据权利要求1所述的一种离心泵内部流场数值模拟结果的校准方法，其特征在于：所述的扇形窗口沿叶轮的包络圆周接近均匀分布，窗口的高度Hy为叶轮中心回转面上过窗口中心线的压水室壁面与叶轮旋转中心轴线之间的距离Rw与叶轮外缘半径Ry的差值Rw-Ry，窗口的长度Ly为1Do～2Do，Do为水泵出口直径。
4.根据权利要求1所述的一种离心泵内部流场数值模拟结果的校准方法，其特征在于：所述的压水室出口的窗口高度Ho为0.8Do～1.2Do，长度Lo为1Do～2Do。
5.根据权利要求1所述的一种离心泵内部流场数值模拟结果的校准方法，其特征在于：所述的细缝与各透明窗口一一对应，并完全覆盖各窗口在叶轮中心回转面上的投影靠近压水室壁面一侧的外缘，同时细缝长度方向上的两端分别向外延伸5mm-10mm，所述细缝的宽度为2mm-4mm。
6.根据权利要求1所述的一种离心泵内部流场数值模拟结果的校准方法，其特征在于：所述透明盖板的厚度根据材料与水泵内部压力的不同为10mm-30mm。
7.根据权利要求1所述的一种离心泵内部流场数值模拟结果的校准方法，其特征在于：所述螺栓根据离心泵内部压力的不同为M6～M20。
8.根据权利要求1所述的一种离心泵内部流场数值模拟结果的校准方法，其特征在于：所述PIV实验的判问域为透明窗口在与透明窗口平行且过相应细缝中心线的平面上的投影区域。
9.根据权利要求1所述的一种离心泵内部流场数值模拟结果的校准方法，其特征在于：所述离心泵内的数值模拟结果与PIV实验采用的离心泵原型具有相同的几何尺寸及结构、相同的进口流量，对比分析时从数值模拟结果中预先提取出与PIV实验的判问域对应的窗口范围内的速度矢量场。
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