叶片圆盘泵叶轮无叶区内部流场数值模拟.pdf

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1、750化工机械2010钲叶片圆盘泵叶轮无叶区内部流场数值模拟‘周昌静”陈国明尹树孟(中国石油大学)许亮斌(中国海洋石油总公司研究中心)摘要为研究叶片圆盘泵叶轮无叶区内的流动特征，采用RNG^．占湍流模型与SIMPLEC算法，对叶片圆盘泵内三维不可压湍流场进行数值模拟。得到速度等值线图和压力等值线图，并对模拟结果进行分析。发现周向流动是叶片圆盘泵叶轮无叶区内的主要流动方式，无叶区内较大部分是低压区，无叶区内除存在轴向流动外还存在径向回流。关键词叶片圆盘泵无叶区数值模拟径向回流中图分类号TQ051．2l文献标识码A文章编号0

2、254-6094(2010)06-0750-05圆盘泵是一种叶轮结构特殊的离心泵，它是依靠粘性流体与圆盘之间摩擦力的作用来进行能量传递的，具有无堵塞性能好及叶轮受磨损程度小等优点⋯。但当泵送流体粘度降低时，其扬程和效率都会很低，这就大大限制了其应用。自Max’’I．Gurth申请第一台叶片圆盘泵专利以来，圆盘泵扬程得到极大提高，成为圆盘泵第2代产品忙·。叶片圆盘泵用于处理那些含有固体颗粒和粘性凝块状悬浮物的介质和气蚀严重、脉动冲击较大的流体场合时表现出良好的性能一1。但是，由于叶片圆盘泵开发的历史较短，国内外对叶片圆盘泵

3、的研究工作开展的不够充分，特别是泵送粘度不是很大的固液两相流体时，对其工作原理及其能虽转换规律还不是很清楚，所以有必要对叶片圆盘泵的性能进行研究，为设计出高效率、可靠性好的叶片圆盘泵提供一定的理论依据。叶片圆盘泵叶轮区别于一般叶片泵叶轮的主要结构特征是，叶轮叶片间存在无叶区。本文将圆盘泵叶轮分为无叶区和叶片区，首次把圆盘泵叶轮无叶区内部流动作为研究对象，对其进行数值模拟和分析研究。1泵内流场的数值计算1．1叶轮结构与流场计算网格构建数值计算和性能试验所用模型泵叶轮结构如图1所示。圆盘数为2个，叶片为放射形直叶片，每个盘上

4、叶片数取为8个。根据圆盘泵叶轮存在无叶区的特点，将叶轮分为无叶区和叶片区分别建模，采用多重参考坐标系法(MRF)，分别建立同叶轮叶片区同步旋转的动坐标系和固定在压水室上的不动坐标系，流动控制方程在进口段、叶轮叶片区、叶轮无叶区、泵体和出口段区域分别进行计算，在两个区域的交界面上则通过将速度换算成绝对速度的形式进行耦合计算。计算区域和网格如图2所示。图1圆盘泵叶轮·国家科技重大专项课题“深水油气田开发钻完井工程配套技术”(2008ZX05026-001—12)。··周昌静，男，1978年11月生，博士研究生，讲师。山东省东

5、营市，257061。第37卷第6期化工机械751图2计算域及计算网格1．2湍流模型叶片圆盘泵的内部流动属于复杂的三维不可压湍流流动，标准k-e模型是目前使用最广泛的湍流模型，即构造关于湍动能k和耗散率占的方程。但标准后．占模型用于强旋流动或带有弯曲壁面的流动时，会出现一定失真。由于RNG(Renor—malizationGroup)后一8模型是在标准k-s模型的基础上，考虑了旋转和壁面弯曲的影响，因此，被证明在水力机械中是最有效的方法”1，其相应的k方程和占方程如下：掣=毒[ak／-tP。仃差】崛垆(1)百2瓦【ae仃瓦

6、J¨t+p占¨’p等岩=去[a∥，。券】+譬G。一c：。p譬pi2瓦【a∥r“瓦J+T‰扎ztpi(2)式中k——湍动能，ITl2／s2；“r模型系数，口I=1．39；G广一由平均速度引起的湍动能k产生项；F——湍动能耗散率，m2／s2；瑾-～模型系数，a。=1．39；C。，——G。项模型系数；C：。——艿项模型系数。式(1)、(2)中各系数可从文献[5]中查到。1．3边界条件及数值方法计算域的进口边界由质量守恒定律和进口无预旋的假设计算得出进口轴向速度，且在进口截面上均匀分布；出口边界由于其流动已充分发展，采用自由出流

7、条件；流道内与流体相接触的壁面上均采用无滑移壁面条件，壁面附近采用标准壁面函数∞。。2计算结果及分析当计算结束后，必须对整个内部流动区域作出合适的截面，以便获得所需的计算结果并对其分析，z9、z14、z20分别表示平行于叶轮进口平面，且距泵进口平面分别为9、14、20mm处的轴截面。其中z20表示叶轮中间截面，即距离叶片区最远的截面，z9是3个截面中距离叶片区最近的截面。绝对速度等值线分布图如图3所示，轴向速度等值线分布图如图4所示，径向速度等值线分布图如图5所示，周向速度等值线分布图如图6所示，静压等值线分布图如图7所

8、示。图3绝对速度等值线图(单位：m／s)浏酬曦■耐隧@囤6周向速度等值鳗田(单位：m／+√。裂。趟v。ill黧黧裁箍耋要霎窭摊霎霎霎雪妻雪勰黜薹喜薹喜薹薹薹薹耋l薹一¨聪张蚴KE州●0●_l㈣B蔫戳¨¨蚴—■。～_。j拶。黼黼僦溅嬲链lilill嬲lii黜髓鳓lii测黼瓣I，越●lII轴l鼍■●●■l径l丘-___I