CN107122512B - 液环泵非稳态气体流场及吸入压缩性能的简化计算方法 - Google Patents

液环泵非稳态气体流场及吸入压缩性能的简化计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种液环泵非稳态气体流场及吸入压缩性能的简化计算方法，包括以下步骤：定义计算域，构造计算域的三维实体；对计算域进行网格划分，得到三维初始网格；进行相关参数和条件设置，运用非稳态多相流欧拉方法进行模拟计算，得到相对稳定后液环泵的气液两相流场和相分布场；对液环泵内的气液两相流分布进行图像处理得到气液两相交界轮廓面形状和大小；单独构造气体计算域的三维实体；对三维气体计算域文件进行网格划分，进行相关参数和条件设置，模拟计算液环内的瞬态气体吸入压缩过程，进行液环泵气体流场和吸入压缩性能的非稳态计算。本发明与常规的气液两相流计算方法相比，能够改善计算精度、提高计算效率。

Description

液环泵非稳态气体流场及吸入压缩性能的简化计算方法
技术领域
本发明涉及液环泵技术领域，特别涉及一种液环泵非稳态气体流场及吸入压缩性能的简化计算方法。
背景技术
液环泵具有近似等温压缩、可输送易燃易爆气体、结构简单、使用维修方便等特点，广泛应用于石油、化工、电力、轻工等部门，是真空成套设备的基础产品之一。图1是液环泵的工作原理图，它包括吸气口、叶轮、蜗壳、入水口和排气口五个主要部件。液环泵运行时，进入叶轮内的液体由于离心力作用被甩向泵体边壁形成一个封闭圆环。随着叶轮的旋转，当叶片与液环所分割的腔体由小变大时，气体从吸气口吸入泵内。当分割的腔体由大变小时，气体被压缩并由排气口排出泵外。液环泵内部的流动是具有自由分界面的复杂气液两相流动，有较大的水力损失，导致效率降低。
随着液环泵应用领域的拓展，如何优化设计提升其工作效率已成为国内外研究的热点和前沿课题之一，研究内容主要集中在外特性规律和流场数值计算方面。液环泵内部复杂的气液两相流是影响其工作效率的关键因素，该气液两相流的特征是分界面大小形状未知且两相流动随时间发生变化，远比一般叶片泵的流动复杂得多，属于非稳态的气液两相流动。目前大多数研究者们均采取气液两相流(VOF)的计算方法，对液环泵进行非稳态的流动性能分析。该计算方法计算量大、耗时长、计算过程易出错，对于100万的计算网格使用常规的电脑工作站一般需要近百个小时的计算时间才能得到相对稳定的气液两相流场，而且受现有气液两相流动理论模型的限制，计算所得到流场及气体吸入压缩性能与实际相差较大(气体吸入量有时相差了一个数量级)，未能准确有效地反映泵内气液两相流动规律和吸入压缩性能。为使工程技术人员能通过调整各种设计参数(泵体和叶轮结构参数等)和操作参数(吸入真空度、转速、管路参数、阀门开度等)，达到优化液环泵设计提高工作效率的目的，迫切需要一种简化实用快捷的液环泵气体流场和吸入压缩性能的计算方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种液环泵非稳态气体流场及吸入压缩性能的简化计算方法，与常规的气液两相流计算方法相比，能够改善计算精度、提高计算效率。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
一种液环泵非稳态气体流场及吸入压缩性能的简化计算方法，包括以下步骤：
S1、将液环泵中吸气口、叶轮、蜗壳、进水口及排气口定义为计算域，其中叶轮为计算域中的旋转域，构造计算域的三维实体，生成计算域的三维实体文件；
S2、读取三维实体文件，对计算域进行网格划分，得到三维初始网格，形成网格文件；
S3、读取网格文件，进行相关参数和条件设置，运用非稳态多相流欧拉方法进行模拟计算，得到相对稳定后液环泵的气液两相流场和相分布场；
S4、对液环泵内的气液两相流分布进行图像处理得到气液两相交界轮廓面形状和大小；
S5、根据气液两相交界轮廓面形状和大小，单独构造气体计算域的三维实体，生成该液环泵的三维气体计算域文件；
S6、读取三维气体计算域文件并进行网格划分，进行相关参数和条件设置，模拟计算液环内的瞬态气体吸入压缩过程，进行液环泵气体流场和吸入压缩性能的非稳态计算。
优选的，步骤S2中使用网格划分软件读取三维实体文件，对计算域进行网格划分；步骤S3通过计算流动软件完成。
优选的，步骤S4采用ANSYS-CFX软件的Post模块对液环泵内的气液两相流分布进行图像处理得到气液两相交界轮廓面形状和大小。
优选的，通过改变液环偏心位置、大小、蜗壳轴向尺寸、叶片数以及叶片角度之中的一个或者若干个参数，生成不同的三维气体计算域文件，探究不同的模型。
优选的，步骤S1和/或步骤S5中使用CAD软件构造计算域的三维实体。
优选的，步骤S3和/或S6中的数值收敛的判断方法有两种：一种是以残差值的变化判断；一种是编写程序监测性能参数是否达到稳定谐波规律判断。
优选的，步骤S3中相关参数和条件包括气液两相物性参数、操作参数、边界条件和初始条件。
进一步的，物性参数、操作参数、边界条件和初始条件设置包括：气液两相的密度、粘度、热传导系数、阻力系数及叶轮的转速等；设置计算域气体入口为压力边界条件，液体入口为质量流量边界条件；设置计算域出口为压力边界条件；非稳态湍流计算采用RNG k-ε湍流模型，非稳态气液两相流动计算的初始条件按等半径的气相分布设置。
优选的，步骤S6中相关参数和条件包括气相物性参数、操作参数、边界条件和初始条件。
进一步的，物性参数、操作参数、边界条件和初始条件设置包括：气相的密度、粘度、热传导系数、阻力系数及叶轮的转速；设置计算域气体入口为压力边界条件，设置计算域出口为压力边界条件；非稳态湍流计算采用RNG k-ε湍流模型，非稳态气相流动计算的初始条件按等半径的气相分布设置。
优选的，步骤S6中运用计算流动软件Pumplinx中的转子泵模块读取三维气体计算域文件并进行网格划分。
优选的，步骤S6之后还可以包括步骤S7计算后处理；计算后处理包括，显示液环泵气体非稳态流场计算结果，得到液环泵相关参数对液环泵气体流场及性能的影响规律，预测液环泵吸气量和吸入压力的关系曲线，预测液环泵功率和吸入压力的关系曲线。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
本发明方法采取了气相单独计算为主、气液两相流计算为辅的计算策略，运用Pumplinx软件叶片泵动网格模块，计算得到各种设计参数和操作条件下液环泵的气体流场和吸入压缩性能曲线，解决了现有技术计算量大、耗时长、计算易出错、气体吸入压缩性能与实际相差较大的问题，为优化液环泵设计及操作性能提供了一种创新的算法。
附图说明
图1是液环泵的工作原理图；
图2是实施例方法的流程图；
图3是液环泵的计算域三维实体图；
图4是ANSYS-CFX计算得到气液两相分布图；
图5是气体计算域模型图；
图6是计算得到的液环泵吸入气量-吸入压力曲线；
图7是计算得到的液环泵轴功率-吸入压力曲线。
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。
非稳态气体流场及吸入压缩性能的简化计算方法，应用于液环泵，方法流程见图2，包括如下步骤：
第一步，将液环泵中吸气口、叶轮、蜗壳、进水口及排气口定义为计算域，其中叶轮为计算域中的旋转域，使用CAD软件(如Pro/E软件)构造计算域的三维实体，生成三维实体文件，并使用网格划分软件(如ICEM软件)读取三维实体文件，对计算域进行网格划分，得到三维初始网格，形成网格文件。
第二步，运用计算流动软件(如ANSYS-CFX)读取网格文件，进行气液两相物性参数、操作参数、边界条件和初始条件等设置，运用非稳态多相流欧拉方法模拟计算，得到相对稳定后液环泵的气液两相流场和相分布场，在后处理中采用ANSYS-CFX软件的Post模块对液环泵内的气液两相流分布进行图像处理得到气液两相交界轮廓面形状和大小。
上述物性参数、操作参数、边界条件和初始条件等设置包括：气液两相的密度、粘度、热传导系数、阻力系数及叶轮的转速等；设置计算域气体入口为压力边界条件，液体入口为质量流量边界条件；设置计算域出口为压力边界条件；非稳态湍流计算采用RNG k-ε湍流模型，非稳态气液两相流动计算的初始条件按等半径的气相分布设置。
第三步，根据计算得到的气液两相交界轮廓面形状和大小，使用CAD软件单独构造气体计算域的三维模型，生成该液环泵的三维气体计算域文件；并通过改变液环偏心位置、大小、蜗壳轴向尺寸、叶片数、叶片角度等参数探究多个模型，改变以上这些参数生成不同的三维气体计算域文件。
第四步，运用计算流动软件Pumplinx中的转子泵(Vane)模块读取三维气体计算域文件并进行网格划分。进行气体物性参数、操作参数、边界条件和初始条件等设置，模拟计算液环内的瞬态气体吸入压缩过程，进行液环泵气体流场和吸入压缩性能的非稳态计算。
第二步和第四步中的数值收敛的判断方法有两种：(一)以残差值的变化判断；(二)编写程序监测性能参数是否达到稳定谐波规律判断。
在第四步之后还可以包括第五步，计算后处理。计算后处理包括，显示液环泵气体非稳态流场计算结果，得到液环泵设计参数、操作参数等对液环泵气体流场及性能的影响规律，预测液环泵吸气量和吸入压力的关系曲线，预测液环泵功率和吸入压力的关系曲线。
本实施例中的液环泵非稳态气体流场及吸入压缩性能的计算方法，采取气相单独计算为主、气液两相流计算为辅的计算策略，计算得到各种设计和操作条件下的液环泵性能曲线，与常规的气液两相流计算方法相比，计算精度得到了很大改善，计算效率也提高了近100倍。为研究液环泵设计参数和操作参数对性能的影响规律提供了一种创新的、简化实用快捷的算法。本方法利用现有的计算条件达到复杂计算的目的，可快速研究不同设计参数及操作参数对液环泵性能的影响规律，对液环泵的优化设计与操作具有重要的科学研究价值和工程应用价值。
具体的，选取一台单级、双作用，径向吸、排气的常规液环真空泵作为研究对象，液环泵设计工况参数为：转速n＝372～660r/min，入口气量Q＝22～78m3/min，入口压力P入＝40～1013hPa(绝对压力)，出口压力P出＝1013hPa(绝对压力)。工作介质气相为空气，液相为水。叶轮的叶片数Z＝18。应用Pro/E建立液环泵的计算域(如图3)，使用ICEM进行计算域的网格划分得到计算网格单元。整个液环泵流体计算域单元总数为2468659个。
使用ANSYS-CFX流动软件进行气液两相流场计算，根据泵转速和叶片数设置时间步长为10-4s。通过计算得到了如图4所示的气液两相分布，由于气液两相巨大的密度差和体积流量比，各工况下的气液两相分布十分相似。应用Pro/E软件以气液两相交界为轮廓面对气体计算域单独建模。图5给出了该液环泵的气体计算域模型。
使用Pumplinx软件的网格生成模块，对图5所示的气体计算域模型进行计算网格划分，得到气体计算域的网格单元总数为807262个。进行气体物性参数、操作参数、边界条件和初始条件等设置，模拟计算液环内的瞬态气体吸入压缩过程，进行液环泵气体流场和吸入压缩性能的非稳态计算。计算得到液环泵气体非稳态流场压力场温度场分布，预测液环泵吸入气量和吸入压力的关系曲线(如图6)，预测液环泵轴功率和吸入压力的关系曲线(如图7)，得到液环泵设计参数、操作参数等对液环泵气体流场及性能的影响规律。
为验证本实施例方法的有效性和实用性，将计算所得的性能曲线与实测的性能结果进行了对比。液环泵的性能测试在广东省佛山水泵厂有限公司的水泵测试站完成。该测试站采用多功能参数测量仪的自动测试系统，整套系统达到国家B级精度水平。对比结果表明，采用本方法计算所得的性能曲线与实测结果误差在工程容许范围内，与常规的气液两相流计算方法相比，计算精度得到了很大的改善。
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 (8)

1.液环泵非稳态气体流场及吸入压缩性能的简化计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将液环泵中吸气口、叶轮、蜗壳、进水口及排气口定义为计算域，其中叶轮为计算域中的旋转域，构造计算域的三维实体，生成计算域的三维实体文件；
S2、读取三维实体文件，对计算域进行网格划分，得到三维初始网格，形成网格文件；
S3、读取网格文件，进行相关参数和条件设置，运用非稳态多相流欧拉方法进行模拟计算，通过对数值收敛的判断来得到相对稳定后液环泵的气液两相流场和相分布场；
所述相关参数和条件包括气液两相物性参数、操作参数、边界条件和初始条件；
上述物性参数、操作参数、边界条件和初始条件设置包括：气液两相的密度、粘度、热传导系数、阻力系数及叶轮的转速；设置计算域气体入口为压力边界条件，液体入口为质量流量边界条件；设置计算域出口为压力边界条件；非稳态湍流计算采用RNG k-ε湍流模型，非稳态气液两相流动计算的初始条件按等半径的气相分布设置；
S4、对液环泵内的气液两相流分布进行图像处理得到气液两相交界轮廓面形状和大小；
S5、根据气液两相交界轮廓面形状和大小，单独构造气体计算域的三维实体，生成该液环泵的三维气体计算域文件；
S6、读取三维气体计算域文件并进行网格划分，进行相关参数和条件设置，模拟计算液环内的瞬态气体吸入压缩过程，通过对数值收敛的判断来进行液环泵气体流场和吸入压缩性能的非稳态计算；
所述相关参数和条件包括气相物性参数、操作参数、边界条件和初始条件；
上述物性参数、操作参数、边界条件和初始条件设置包括：气相的密度、粘度、热传导系数、阻力系数及叶轮的转速；设置计算域气体入口为压力边界条件，设置计算域出口为压力边界条件；非稳态湍流计算采用RNG k-ε湍流模型，非稳态气相流动计算的初始条件按等半径的气相分布设置。
2.根据权利要求1所述的简化计算方法，其特征在于，步骤S2中使用网格划分软件读取三维实体文件，对计算域进行网格划分；步骤S3通过计算流动软件完成。
3.根据权利要求1所述的简化计算方法，其特征在于，步骤S4采用ANSYS-CFX软件的Post模块对液环泵内的气液两相流分布进行图像处理得到气液两相交界轮廓面形状和大小。
4.根据权利要求1所述的简化计算方法，其特征在于，可以通过改变液环偏心位置、大小、蜗壳轴向尺寸、叶片数以及叶片角度之中的一个或者若干个参数，生成不同的三维气体计算域文件，探究不同的模型。
5.根据权利要求1所述的简化计算方法，其特征在于，步骤S1和/或步骤S5中使用CAD软件构造计算域的三维实体。
6.根据权利要求1所述的简化计算方法，其特征在于，步骤S3和/或S6中的数值收敛的判断方法有两种：一种是以残差值的变化判断；一种是编写程序监测性能参数是否达到稳定谐波规律判断。
7.根据权利要求1所述的简化计算方法，其特征在于，步骤S6中运用计算流动软件Pumplinx中的转子泵模块读取三维气体计算域文件并进行网格划分。
8.根据权利要求1所述的简化计算方法，其特征在于，步骤S6之后还可以包括计算后处理步骤：显示液环泵气体非稳态流场计算结果，得到液环泵相关参数对液环泵气体流场及性能的影响规律，预测液环泵吸气量和吸入压力的关系曲线，预测液环泵功率和吸入压力的关系曲线。
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