内流特性 篇1
在离心泵运行过程中,很多因素都会导致离心泵空化现象的发生。空化会导致离心泵的性能下降,引起机组的振动和噪声,并导致过流金属部件的腐蚀和破坏,甚至还会导致各种灾难性事故的发生[1,2]。为了防止空化造成灾难性事故,需要对离心泵空化进行监测诊断和预警[3,4,5]。通过掌握空化时离心泵内流场的特性,并且深入了解空化特点,能够为离心泵空化的监测诊断提供依据。
掌握内流场特性常采用的方法有数值模拟法和高速摄影法。高速摄影方法虽然能够提高可靠的观测结果,但是该方法需要高速摄像机和专用的可观测实验设备,实验难度大、费用高,在生产实际中很难适用。CFD数值模拟方法已能够较准确地预测各种复杂的流动和气液传质现象,并能够提供可视化的结果,已成为空化流动研究的重要方法[6,7]。
当前,很多研究人员都利用CFD数值模拟方法对离心泵的空化进行研究,并得到了一定的研究成果[8,9]。张文军[10]对离心泵叶轮通道内的空化进行了预测,得到了空化流场的压力分布、空泡体积分数等;王洋等[11]分析了不同工况时离心泵叶轮中间流面空泡体积分数的变化规律;然而,上述研究对于空化性能的计算结果均未得到实验验证。谭磊等[12]运用Zwart空化模型对离心泵内部的空化进行了数值模拟,但计算得出的临界汽蚀余量与实验结果存在一定差别;杨孙圣等[13]利用CFX软件,分析了一台离心泵在临界汽蚀余量时叶轮内空泡分布规律及扬程下降的原因,但计算结果与实验结果在小流量时差别较大。
本研究通过建立几何模型、网格划分和设置合理的边界条件,利用CFX软件和Zwart空化模型对离心泵内部流场的空化特性进行三维数值模拟;通过将计算得到的扬程-有效汽蚀余量曲线与实验结果对比,验证所用数值模拟方法的可信性,进而分析空化导致离心泵扬程下降的原因,给出不同汽蚀余量时离心泵内部流场空泡的分布规律。
1 实体建模与分析
1.1 模型建立
对离心泵进行CFX建模时,需要对叶轮和泵蜗壳,叶轮和离心泵泵体、泵盖之间的前后腔体的流道进行建模,计算模型中需要对离心泵进、出口做一定的延伸。在对离心泵建模过程中,泵叶片和泵蜗壳的曲线形状比较复杂,是建模的难点。本研究采用先建叶轮和进口,略去轴部分,倒角部分尽量忽略,以实现模型的简化。
本研究使用三维造型软件UG NX 8.0建立离心泵全流场计算模型,该模型如图1所示。
叶轮的主要几何参数如下:
进口直径:126 mm;
出口直径:100 mm;
叶片数:6片;
叶轮出口宽度:26.5 mm;
转速:1 480 r/min。
1.2 网格划分
笔者将UG NX 8.0建立的模型导入ANSYS-CFX前处理软件ICEM-CFD进行网格划分。
在划分网格过程中,笔者首先利用ICEM-CFD对离心泵进行网格划分,叶轮划分六面体网格,网格数为148万,第一层网格厚度设为0.01 mm,控制所有壁面的y+均小于50,蜗壳划分四面体网格,网格数为2.61×106,整个域内的总的网格数为4.30×106。
为了适应复杂边界的内流场区域,可对已经生成的网格进行自适应性加密,有利于保证其内流场模拟结果的准确性;并在网格划分完成之后,检查网格质量,去掉一些多余节点,以保证网格质量符合计算要求。
离心泵叶轮和蜗壳的网格划分如图2所示。
很多学者在进行离心泵性能的CFD数值模拟时,未考虑其口环间隙的影响。为了更加真实地反映离心泵内的流动情况,必须要考虑离心泵口环的泄露问题。
本研究所用离心泵的口环间隙为0.5 mm,前口环间隙和前腔室一起划分网格,后口环间隙和后腔室一起划分网格,均为六面体网格,前口环间隙及腔室的网格数为2.0×105,后腔体及后口环间隙的网格为1.4×105。
1.3 边界条件
计算流体区域可分为以叶轮为代表的转子和以蜗壳为代表的定子两个主体部分,首先设定离心泵的进、出口流道;其次,设置泵内部流场边界条件,对流体、流速、水温、大气压强等参数进行详细设置。两流体区域之间的定子和转子耦合交界面采用Frozen Rotor类型。各固体壁面都采用无滑移(no slip)壁面边界条件。
仿真过程中,通过改变进口流速的大小来实现空化模拟,从而计算出离心泵处于不同流量工况条件下的内流场分布状况。
1.4 离心泵非空化性能模拟
本研究在进行离心泵敞水性能(非空化、均匀来流)计算时,将出口设为流量,采用RNG k-ε湍流模型。
设计流量100 m3·h-1时离心泵内部流线图如图3所示。
从图3中可以看出,离心泵内部流动平顺,无漩涡和流动分离。离心泵的扬程-流量、效率-流量的变化关系,CFX计算值与该泵机组实验值吻合良好,实验过程参见文献[14]。
在设计流量时,实验扬程是13.51 m,效率为80.6%,CFX计算值是13.5 m,效率为83.2%,误差分别为0.7%和2.6%。
2 离心泵空化性能数值分析
2.1 空化模型
本研究采用Rayleigh-Plesset方程描述空泡的生长和破灭。
模型如下:
式中:Rb—空泡半径,S—表面张力,Pv—水的饱和压力,P—空泡周围液体压力,Pl—液体密度,v—液体的粘性系数。
忽略方程的二阶项、粘性项和表面张力项,可得:
假设单位流体体积中有Nb个空泡,则空泡体积分数为:
Zwart-Gerber-Belamri认为单位体积内气相和液相的交换速率可由单个空泡的相变得出,即:
相交换速率也可表示为:
式中:F—经验系数。
上式假设空泡均由不可压汽核发展而来,未考虑空化气泡之间的相互影响,仅适用于空化发展的最初阶段。
随着空化的发展,空化核的数量也会随之减少,为了模拟这一过程,Zwart-Gerber-Belamri提出用αnuc(1-αv)代替αv,故这种空化模型的最终形式为:
(1)当P<Pv时:
(2)当P>Pv时:
式中:Fvap—空化系数,Fvap=300;Fcond—空泡凝结速率,Fcond=0.03;αnuc—汽核体积分数,αnuc=5×10-4。
在空化计算时考虑湍流压力脉动Pturb对汽化压力的影响,故对饱和压力Pv修正如下:
式中:k—湍动能,m2·s-2;ρm—混合密度。
2.2 空化性能分析
在进行空化数值计算时,笔者采用流量出口、总压进口,保持离心泵出口流量不变,不断降低泵进口的压力使泵内水体产生汽化。在数值计算时,笔者先进行非空化数值计算,然后以非空化计算结果为初值进行空化性能计算,以缩短计算时间。
在设计流量时的“扬程-汽蚀余量(H-NPSH)”曲线如图4所示。
CFX计算得出的扬程汽蚀余量曲线与实验曲线趋势一致、符合良好,随着汽蚀余量的减小,扬程先慢慢减小,当汽蚀余量减小到某一个阀值之后,扬程会突然减小。主要原因是随着汽蚀余量的降低,泵内空化越来越剧烈,空化产生的大量气泡堵塞了过流通道,使叶轮的做功能力降低,导致离心泵的扬程急剧下降。
离心泵汽蚀余量NPSH指在水泵进口断面,单位重量的液体所具有的超过汽化压头的剩余能量,其大小用米水柱来表示。
汽蚀余量NPSH分别为2.35 m、1.12 m和0.9 m时,空泡体积分数为0.2的等值面,不同汽蚀余量时叶轮空泡分布如图5所示。
当进口汽蚀余量从2.35 m减小到0.9 m时,叶轮内的空泡体积大量增加,大量的空泡堵塞了过流通道,从而导致离心泵的扬程下降。
不同汽蚀余量时叶轮表面空泡体积分布如图6所示(图中纵坐标表示空泡体积分数)。
从图6中可以看出,叶轮空化区域主要在叶轮吸力面靠近进口边的部分,随着有效汽蚀余量的减小,叶轮上空泡区的面积逐渐增大,有效有效汽蚀余量NPSH=0.9 m时,叶片上的空泡面积是NPSH=2.35 m时的8倍,说明NPSH=0.9 m时,叶轮空化十分严重。
不同汽蚀余量时叶轮中心截面上空泡分布如图7所示。
从图7中叶片中心截面上空泡体积分数的分布可以更清楚地看出,空化主要发生在叶轮吸力面,随着有效汽蚀余量的减小,中心截面上空泡区的面积逐渐增大,而压力面上几乎没有空化区域。
3 结束语
针对离心泵内流场特性分析困难的问题,本研究对离心泵流场空化特性进行了数值模拟,得到如下结论:
(1)离心泵水力性能的数值模拟计算结果与实验结果比较可知,两者误差较小,尤其是在设计流量条件下,两者基本吻合。
(2)本研究中离心泵实体模型建立方法、空化性能数值计算模型合理,基于ANSYS-CFX的离心泵内流场空化数值模拟结果有效。
(3)通过内流场数值模拟可知,离心泵正常工作时,内部流动平顺,无漩涡和流动分离;当发生空化现象时,叶轮上的空泡体积将不断增加,大量的空泡会堵塞过流通道,导致扬程下降。叶轮空化区域主要在叶轮吸力面靠近进口边的部分,随着空化数的减小,叶轮上空泡区的面积将逐渐增大。
摘要：针对离心泵内流场特性分析困难的问题,对离心泵流场数值模拟的几何模型建立、模型网格划分和边界条件设定进行了研究,采用计算流体力学方法,获取了在敞水性能条件下离心泵的扬程-流量、效率-流量的变化关系;结合Zwart空化模型,重点对不同有效汽蚀余量时离心泵的空化流场进行了数值模拟,得到了离心泵的内部流线和空泡分布的情况,并与该离心泵机组进行了性能测试实验,最后在此基础之上进行了对比分析。研究结果表明,所采用的数值模拟方法和空化模型合理有效,此结果可为进一步开展离心泵空化监测技术研究提供借鉴。
内流特性 篇2
冷库可利用降温设施创造适宜的湿度和低温条件,是目前国内外通用的食品贮藏和保鲜的主要载体。由于猕猴桃自然保质期极短,极易腐烂变质,合理地利用冷库延缓猕猴桃的贮藏期限,显得尤为重要。目前,多数冷库凭经验建造,通过实验测量,获取内部流场信息。其气流组织存在各种缺陷,且在实际运用中具有很大的局限性,冷库结构尺寸不同,实验数据就会不同,因此成本较高。
计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,简称CFD)是基于计算机技术的一种数值计算工具,用于求解流体的流动和换热问题[1]。运用CFD技术,可以很好地解决冷库流场的设计难题,通过建立二维或三维模型,并借助可靠的数值计算,就可以模拟出整个流场的流动情况,具有成本低、效率高的优点。其可以很好地分析冷库内流体的流动情况,对于研究和改善冷库内的气流组织具有实质性的意义。刘妍玲和张岩等人建立了果蔬贮藏冷库内气流场的数学模型,利用CFD技术,比较了冷库内两种果蔬摆放形式对气流场的影响。结果表明,果蔬按中间有通道方式摆放时,室内能形成较合理的气流组织[2]。叶庆银和刘斌等人则对实际工况条件下的3种微型冷库内的送风方式,即单一送风方式、一拖二送风方式和夹套送风方式的温度和风速场进行了CFD模拟。结果表明,这3种送风方式中,夹套送风方式在温度和速度场都有很好的均匀性[3]。余克志和陈天及建立了小型装配式冷库的二维物理模型和紊流数学模型,通过编制计算机程序进行数值求解,揭示了库内气体流场与温度场的分布特性,并分析了装货高度和位置对库内速度场和温度场的影响[4]。Chourasia和Goswami调研了印度的土豆贮藏冷库,建立了冷库的二维模型,模拟了冷库内部的空气流速、货物温度以及水分损失,模拟值与实测值基本相符,为优化冷库的设计,延长土豆的贮藏期限提供了依据[5]。
陕西秦岭山域盛产猕猴桃,而西安市周至县更是被誉为“猕猴桃之乡”。为此,在综合国内外数值传热研究的发展状况以及研究成果的基础上,本文以西安圣果现代农业有限公司的一间装配式冷库的冷藏间为研究对象,把气体区、货物区一并纳入求解区域,建立CFD三维模型,对冷库内流场、温度场和压力场进行研究,并研究冷风机风速和货物堆放方式对温度变化的影响。
1 材料与方法
1.1 模拟冷库
现场调研了西安圣果现代农业有限公司的猕猴桃冷库,以一间装配式冷库库房为研究对象。冷库外形结构尺寸为9m×8m×5m,库门尺寸为总长1.8m、高2m的两扇门。冷却设备为两台冷风机,其各有两个风扇口,风扇直径为500mm,冷风机的外形尺寸为1.8m×0.5m×0.7m,每台风量12 000 m3/h,功率为550W,均为悬吊式安装,库内不安装风道。冷风机采用传统送风模式,即将冷风机吊装在库体顶部,冷风向前吹出,再由冷风机后部回风。冷库的外形结构如图1所示。
冷库内存放的货物为海瓦德品种猕猴桃,置于木箱中,堆垛存放,木箱尺寸为50cm×30cm×30cm,货物堆成3垛,每垛12层,每层有4×20个木箱。根据猕猴桃的这种存放方式,为方便研究和建模,可以将货物看成立方体(6m×2m×3.6m),并作为源项处理。壁面隔热材料为聚氨酯泡沫塑料,厚度为120mm。库内贮藏量为每箱20kg,经计算得每垛为19 200kg,存放密度为444kg/m3。
1.2 数值模拟
1.2.1 控制方程
由于冷库采用冷风机强制空气循环,流场雷诺数约为106(数量级),属有限大空间紊流流动换热类型[6]。为取得冷库数值模拟的结果,首先要建立合适的描述冷库内流动换热的数学模型,对压力和速度的耦合采用SIMPLE算法,动量、能量方程采用一阶迎风格式离散化。采用工程实际应用最广泛的k-ε两方程模型,即在直角坐标系下,联立连续性方程、动量方程、k方程、ε方程以及能量方程作为计算方程组。该方程组可以用一个通用微分方程形式描述
式中ρ—密度;
t—时间;
φ—通用变量(如速度、温度等);
V—各方向的速度;
Γ—与φ相对应的广义扩散系数;
S—与φ相对应的广义源项,包括产生项和耗散项。
不同方程的对应关系参照文献[7]。
1.2.2 货物处理
研究中,根据冷库内贮藏的货物及其堆放方式的特点,各猕猴桃之间空隙很小,又由于木箱箱壁的阻隔,将其看作热源项处理,其热流量为6.66W/m3。
1.2.3 围护结构热流量计算
围护结构热流量主要是指由于库内外存在温差,库顶受太阳辐射等作用,通过库体壁面、冷库屋顶等向库内传递热量,可由下式计算[8],即
式中—围护结构单位面积热流量;
K—围护结构传热系数;
α—围护结构两侧温差修正系数;
tw—围护结构外侧计算温度;
tn—围护结构内侧计算温度。
围护结构的传热系数K的计算公式为
式中aw—内表面传热系数;
an—外表面传热系数;
δ—隔热层厚度;
λ—隔热层导热系数。
1.3 边界条件
合理地设置边界条件对问题的研究起着非常重要的作用,猕猴桃的贮藏温度为0℃,其边界条件进行如下设置:冷风机出风口为入口边界,采用速度入口条件,由风速仪(AVM-05)及多路温度记录仪(PDE-R4)测得入口平均风速为7m/s,温度为271K(-2℃)。由于k,ε难以测量和计算,此处可采用紊流强度与特性尺寸来定义紊流,紊流强度设为5%,由于送风口为风扇口,因此水力直径为风扇直径(0.5m)。
冷风机回风口为出口边界,采用压力出口条件,温度为273K(0℃),表压强为0,其余参数由软件自行计算。壁面边界采用固定热流量边界条件,速度情况按无滑移条件处理,即壁面各方向速度为0,壁面热流量为4.95W/m2,厚度为0.12 m。由于猕猴桃作为源项处理,其热流量为6.66W/m3,其余具体参数根据实际情况设置。
2 结果与分析
采用GAMBIT2.3.16软件进行三维几何建模及网格划分,将网格文件导入FLUENT6.3.26软件,进行三维稳态数值模拟分析,得到了冷库内流场分布的详细信息。本研究将在三维冷库中选择有代表性的截面,通过分析截面上的流场分布来研究猕猴桃冷库的贮藏效果。
2.1 流场分析
2.1.1 温度场分析
图2为当冷风机出风口风速7m/s时,开启5s后,距送风口垂直截面3m处的温度分布。由图2可知,温度场基本呈现均匀化趋势。由于货物区猕猴桃自身存在呼吸热,使得货物区温度较高。冷库两台冷风机安装在冷库顶部,由顶部向底部进行强制对流,因此货物顶部温度也明显低于底部温度。此外,两台冷风机的左右对称布置,其作用效果使冷库中间货物的温度要低于两边货物的温度。在库体近壁区域,由于冷库会和外界环境进行热量交换,因而温度也高于内部气体温度。
经多路温度记录仪(PDE-R4)测得在货物的周边的温度变化为272.9K(-0.1℃)到271.1K(-2.9℃)之间波动,以保证货物的贮藏需要。
2.1.2 速度场分析
图3所示为冷风机送风口所在水平面的速度分布,该分布图可以反映冷库高层空间区域的气流分布。由图3可知,由于冷库两台冷风机的对称布置,速度场呈现左右对称分布。
送风口处速度最大,由于冷库墙壁阻隔,气流在墙壁处形成分流,分别向两边流动,形成各自的涡流区,涡流区内气体速度较小,因此货物堆放高度应受到限制,否则货物将进入涡流区而影响贮藏效果。
用风速仪(AVM-05)进行风速的测定,测定距出风口水平位置0.2,2.6,4.0m处的风速,其风速值为7.0,3.9,1.9m/s,与模拟值一致。
2.1.3 压力场分析
由于装配式冷库是靠钢结构骨架支持库体结构,库内压力场的分布对冷库的隔热壁板、顶板等有一定的力学影响,因而本研究也对冷库的压力场做了初步研究。
图4为冷风机送风口所在水平面的压力分布,对比图3所示该平面的速度分布图可知,速度的大小对压力场分布有着密不可分的关系。在冷风机送风口处,由于风速较大,因此压力也较大。到冷库中心主流区,风速减小,压力有所降低。当气流与冷库前侧壁面相遇时,由于气体流动受到库壁的阻扰,加剧了气体的扰动,因此压力反而增大。
综合分析可知,冷库前侧壁面存在压力最大值,设计中,应考虑到其对库体结构性能的影响。通过适当增加厚度,可以维护库体结构,防止受压变形。
2.2 货物摆放方式对冷库温度场的影响
对两种不同的猕猴桃堆放方式进行模拟,即3垛堆放和2垛堆放方式。为了比较这两种堆放方式下冷库的冷却效果,选择距送风口下垂直距离为3m处的垂直截面,分析该截面货物区和冷库气体区的温度分布,如图5所示。
由图5可知,货物的堆放方式对冷库冷量的分布有较大影响。在货物区,3垛堆放方式由于货物较为分散,能够获得良好的散热,因而货物中心区域温度要低于两垛货物摆放方式下的货物中心区域温度。在近壁地区,3垛堆放方式的气流效果较差,温度高于2垛堆放方式。
2.3 冷风机出风口风速对温度场的影响
改变冷风机的转速,可改变风机出风口处的风速。采用3种不同的风速,即5,7,10m/s来对冷库的温度场进行分析,研究冷风机风速对冷库内部温度场的影响。图6所示为这3种风速下,冷库部分截面的温度场分布图。
由图6可较明显的看出,冷风机风速对冷库内的温度场有很大影响,冷风机出风口风速越大,冷库内的温度变化越小,温度场分布越趋于均匀化。从A截面可以看出,随着冷风机风速的增加,冷库顶部气流低温范围逐渐扩大;而从B截面可以看出,随着冷风机风速的增加,货物区温度逐渐变小。可见,冷风机风速的大小对库内的热量交换起着决定性因素,风机风速越大,气体强制对流越充分,越有利于货物与空气的热量交换,起到了对气流温度的均布作用。
随着风速的提高,A截面的温度梯度不明显,这是因为风速越大,冷空气从出风口射出后与周围热空气进行换热越充分、均匀,且由于流速较大,换热较剧烈,因而温度梯度也越趋于均匀。
3 结论
研究了猕猴桃冷库内部气流组织的速度场、温度场以及压力场的分布情况和影响因素。通过改变冷库的设计参数,即冷风机出风口的风速和货物堆放方式,来研究其对冷库内温度场的影响。装配式冷库库内,由于冷风机强制空气循环和猕猴桃货物区自身的呼吸热的共同作用,冷库内部存在一定的温度梯度。冷风机风速对冷库内的温度场有很大影响,冷风机出口风速越大,强制对流越充分,冷库内的温度变化越小,温度场分布越趋于均匀化,同时冷库也能达到更好的低温贮藏效果。货物的贮藏效果还与堆放方式有密切关系:堆放越密集,越不利于货物的呼吸散热,贮藏效果越差。结果表明,冷风机出口风速越大,冷库内的温度变化越小,温度场分布越趋于均匀化。货物的堆放方式中,堆放越分散,货物就越能够获得良好的散热。
摘要：以一间实际装配式猕猴桃冷库为研究对象,建立了该冷库的三维物理模型和标准k-ε湍流数学模型。应用SIMPLE算法求解微分方程,对冷库进行三维数值模拟,获取冷库内部三维温度场、速度和压力场的信息,通过分析特定截面,模拟结果与实测值大致吻合。另外,通过改变冷风机条件和货物堆放方式,模拟其温度场的变化,讨论了这些因素对冷库温度场变化的影响情况。研究表明,CFD数值模拟在猕猴桃冷库内流场设计中的应用是切实可行的。
关键词：猕猴桃,冷库,CFD,数值模拟,流场,温度场
参考文献
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内流特性 篇3
超声速内流场横向喷流的流动与混合特性实验研究
为研究超声速内流场中横向喷流的流动与混合特性,将丙酮蒸汽加入喷流介质,用平面激光诱导荧光(PLIF)技术对流场中流向中心截面和横截面上的丙酮进行成像,研究了喷流的`运动轨迹、流场结构、混合方式,以及参数对喷流流动与混合的影响.结果表明:喷流柱的波动失稳及喷流剪切层中生成的大尺度结构有助于增强喷流与主流在近场的混合;提高出口马赫数会导致剪切层失稳以及出现大尺度结构的位置移向下游,不利于改善近场的混合;增大喷口直径能增加喷流在展向的扩展,升高喷流总压能增加喷流在展向和横向的扩展,并使出现大尺度结构的位置靠近上游;在喷注流量相同条件下,采用小喷注面积高总压喷注更利于增强混合.
作 者：耿辉 翟振辰 陈军 周进 刘君 GENG Hui ZHAI Zhen-chen CHEN Jun ZHOU Jin LIU Jun 作者单位：国防科学技术大学,航天与材料工程学院,湖南,长沙,410073 刊 名：上海航天 PKU英文刊名：AEROSPACE SHANGHAI 年，卷(期)：2007 24(5) 分类号：V434.13 关键词：超声速内流场 横向喷流 流动 混合 平面激光诱导荧光内流特性 篇4
三维超声速隔离段湍流内流场旋涡结构的数值模拟
从基于雷诺平均的N-S方程出发,采用有限体积方法离散控制方程,数值模拟了三维超声速隔离段湍流内流场.计算中采用了二阶OC-TVD差分格式、LU隐式算法和Baldwin-Lomax代数湍流模型.数值结果与实验做了对比,并结合隔离段中的激波串结构分析了其横截面上旋涡结构的发展过程及不同外形条件下旋涡的不同结构.计算结果表明采用本文发展的方法模拟隔离段湍流流场是可行的`,截面为正方形与长方形的隔离段内的涡旋结构截然不同.
作 者：范晓樯 李桦 丁猛 作者单位：国防科技大学航天与材料工程学院,刊 名：国防科技大学学报 ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF NATIONAL UNIVERSITY OF DEFENSE TECHNOLOGY年，卷(期)：23(6)分类号：V211.4关键词：隔离段 有限体积方法 激波串 旋涡