基于CFX的离心泵压力脉动数值模拟.pdf

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1、第43卷第1期化工机械93基于GFX的离心泵压力脉动数值模拟周元欣+1林宝辉’杨威1宫敬2王玮2(1．中国石油天然气管道工程有限公司；2．油气管道输送安全国家工程实验室)摘要为了研究离心泵内部流场的压力脉动，运用CFX软件对离心泵进行了仿真模拟，分析了转速和流量波动对压力脉动的影响。计算结果表明：压力脉动可以通过流体向下游传播，压力脉动的主要频率与叶频相等；偏离设计工况时，压力脉动加剧；相同转速下，压力脉动的主要激发频率与流量波动无关，但压力脉动的强度与流量大小相关，流量越大，压力脉动的幅值越大。关键词离心泵压力脉动CFX中图分类号TQ051．2l文献标识码A文章编号0254-6

2、094(2016)0l-0093-05离心泵是一种在石油化工领域广泛应用的流体机械¨o。离心泵结构复杂，容易受工作介质流动的影响，在其运行过程中常伴随有振动和噪声旧o。对离心泵振动和噪声的研究，可以防范离心泵振动引起的机械结构疲劳，有利于离心泵的设计改进¨1。计算流体动力学(CFD)作为一种数值计算方法，在离心泵、压缩机及风机等流体机械的模拟仿真中应用越来越广泛。借助CFD技术，设计人员可以得到流体机械内任意位置的流动细节，如速度、压力、漩涡、压力脉动及能量损失等，从而进行流体机械的优化设计。4。。笔者应用CFX软件，在多种流量工况下，研究了离心泵蜗壳出口的压力脉动情况，以揭示压

3、力脉动和泵性能之间的关系，为解决泵振动和噪声问题提供了依据。1数值求解1．1物理模型本研究中采用的离心泵为单极单吸口的低比转数离心泵‘51，三维模型如图l所示，该离心泵模拟介质为常温的水。三维模型的主要设计参数如下：流量Q300m3／h扬程H100m转速n1450r／min比转数凡。48叶轮进口直径Dj175mm叶轮轮毂直径D。45mm叶轮出口直径D：547mm叶片出IZl宽度B，17mm图1离心泵三维模型1．2网格划分离心泵模型采用ICEMCFD对流体计算域进行网格划分，网格类型为非结构化网格。为了使进入和排出离心泵的流体充分发展，在叶轮的进口端和蜗壳出口端增加了部分管段。1．

4、3求解条件设置采用雷诺平均动量方程描述不可压缩流动，使用标准k-to模型的改进型BSL双方程湍流模型和连续性方程使得动量方程封闭。在研究离心泵叶轮和蜗壳中流体计算域时，由于叶轮和蜗壳分别属于转动部件和静止部件，因此在离心泵的流}周元欣，男，1987年3月生，助理工程师。河北省廊坊市，065000。94化工机械2016焦场模拟中采用多参考坐标系模型(NRF)，叶轮流道区域取旋转坐标系，蜗壳流道区取静止坐标系。在离心泵的稳态流场模拟中动静交界面采用冻结转子法，瞬态流场模拟中动静交界面采用滑移网格法。在离心泵内部流场模拟中，离心泵的人12I采用定压力的边界条件，出口采用定流量的边界条件

5、，各壁面边界条件均采用无滑移边界条件，对近壁面区域非充分发展的湍流流动采用标准壁面函数进行处理。2模拟结果与分析图2显示了在设计工况点(n=1450r／min、Q=300m3／h)时，离心泵内部流场在中间截面上的压力分布计算结果，图3显示了离心泵叶轮内部叶片上的压力分布结果。由图2可以看出，泵内部流场的压力从吸入口到排出口逐渐上升，泵吸人口和排出口的流速都不是很大，流体进入叶轮后，叶轮将旋转的动能传递给流体，蜗壳又将流体的大部分动能转化为压能。从图3可以看出，相同半径的情况下，叶片工作面的压力大于叶片背面的压力。在叶片背面的吸入口区域，压力最小，该区域是离心泵最容易发生气蚀的地方

6、。图2离心泵中间截面上的压力云图图3离心泵叶片上的压力云图2．1泵性能预测在设计工况下，该离心泵模型流场模拟的一些关键参数如下：人口压力P。405kPa出口压力Pd1280kPa扬程日93．41m泵效率卵0．57与设计参数相比，该模型泵的模拟结果在设计工况下其扬程比设计参数小了6．59％，原因可能在于该离心泵模型在蜗壳隔舌部位进行了一定的简化。另外，在叶轮和蜗壳结合部分，也进行了适当的简化：叶轮出口端向外侧延伸，蜗壳基圆向内侧延伸，两者的交界面为动静结合面。其次，模型未考虑流体与叶轮盖板间的摩擦损失，蜗壳的水力损失和容积损失。固定泵转速，通过对不同流量下离心泵内部流场的稳态模拟，

7、可以得到该离心泵模型在设计工况下的扬程一流量(H—Q)性能预测曲线(图4)。三七世墨图4离心泵模型设计工况下的日一Q曲线2．2压力脉动由于离心泵的旋转部件和静止部件的动静干扰作用，离心泵内部的流场会呈现非定常的扰动流动特征。这种扰动流动会造成流场的压力脉动，流体会将压力脉动传递给叶轮和蜗壳，引发离心泵的振动和噪声。在本研究中，只考虑流体的单向压力脉动，不考虑流体和离心泵部件之间的双向耦合作用。为了研究压力脉动的影响，对离心泵模型进行了瞬态模拟，并对泵出IZl的截面上的压力脉动进行