[发明专利]一种自吸泵自吸过程流动模拟的计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种自吸泵优化设计技术，特别涉及一种自吸泵自吸过程流动模拟的计算方法。

背景技术

自吸离心泵以其特有的自吸功能广泛应用于石油、石化、化工、电力、冶金、城建等部门。自吸泵起动后先是作为真空泵工作，当进水管中的空气排出后就变成一般水泵工作。因此自吸泵的性能分为自吸性能和水泵性能两部分。自吸性能一般是以泵的自吸时间（或抽气率）和泵的最大自吸高度（或极限真空度）来衡量，通常都是通过试验手段确定。但是试验往往会受到模型尺寸、流场扰动、人身安全和测量精度的限制，无法准确的得到正确结果，且试验方法人力、物力、财力投入巨大，周期时间长。试验结果只能表征外特性参数，无法获知泵内流场的特征和细节。目前基于计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）的自吸泵气液两相流数值模拟研究，在一定程度上了解了自吸泵内的流动状态和水力性能。现有成果基本上是采用自吸泵入口含气率按某个固定值作为初始条件的处理办法，但现实中自吸泵起动前，一部分进水管充满气体；泵起动后在一段很短的时间内，泵入口的含气率随时间和空间的变化都非常显著，而目前的方法并不能描述含气率变化的特征和趋势，因此上述的模拟计算与实际情况会有较大偏差，并不能很好的代替试验方法。显然目前此类模拟和初始条件设置方式并不能的应用于模拟计算、优化和设计自吸泵。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种自吸泵自吸过程流动模拟的计算方法，该计算方法有效的克服了现有技术中存在的缺点。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种自吸泵自吸过程流动模拟的计算方法，包括以下步骤：

步骤1、以自吸离心泵作为研究对象，利用模拟计算的初始条件进行计算；

步骤2、运用非稳态数值模拟手段对自吸离心泵起动后气液两相流动的瞬态过程进行模拟；

步骤3、估算自吸性能参数。

所述步骤1中，模拟计算的初始条件的确定方法为：采用接近真实自吸情形即取一段进水管充满空气作为模拟计算的初始条件。本发明摒弃了前人模拟计算采用的以自吸泵入口含气率的某个固定值作为初始条件的处理办法。

所述步骤3中，估算自吸性能参数的估算方法为：计算出自吸泵内气液两相分布、压力分布和速度分布与时间的关系以及叶轮入口和泵出口气液相流量随时间的变化，并以此估算自吸性能参数。

本发明用于自吸泵自吸过程流动的模拟，提供了一种更好的自吸泵自吸过程流动模拟计算方法和自吸泵优化设计方法。本发明的工作原理：本发明选取一种常用的立式外混式自吸离心泵作为模拟对象。采用了接近真实自吸情形的设置，即取一段进水管充满空气作为计算的初始条件。运用非稳态数值模拟手段对自吸离心泵起动后气液两相流动的瞬态过程进行模拟。利用计算出的自吸泵内气液两相分布、压力分布和速度分布与时间的关系以及叶轮入口和泵出口气液相流量随时间的变化关系，来估算自吸性能参数。

计算边界条件采用滑移网格进行非稳态计算，设置泵体与叶轮接触的交界面为滑移界面，叶轮域设在转动坐标系，其余区域设在固定坐标系。

控制方程采用多相流VOF方法和标准k-ε湍流模型，计算方法为非定常三维有限体积SIMPLE的隐式算法，时间步长根据自吸泵的转速值和叶片数确定。两相流动、湍动能及湍流耗散率的离散格式均取二阶迎风格式。

以计算得到的自吸泵内气液两相分布、压力分布和速度分布与时间的关系，叶轮入口和泵出口气液相流量随时间的变化规律，估算自吸性能参数。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、采用此发明涉及的计算方法，即采用接近真实自吸情形作为初始条件等前处理设置，可以有效解决离心泵自吸过程的瞬态气液两相流场的模拟问题，由此可估算自吸时间等自吸性能参数；

2、采用本发明涉及的计算方法，即采用CFD方法和本发明的计算设置和方法，可以了解自吸离心泵启动过程的气液两相的流动过程和状态，从而能在较短的时间内预测流场，帮助理解泵体内部流动问题，有效弥补实验研究手段的不足，节约实验研究手段的资金和时间的投入，为实验提供指导，为设计提供参考。

附图说明

图1是本发明模拟计算所使用的自吸泵三维造型图，其中，1表示进水管，2表示蜗壳，3表示气液分离室，4表示储液室，5表示泵体，6表示叶轮，7表示出水管。

图2是本发明的自吸泵数值模拟的初始条件设置对应的气体体积分数分布云图，其中，表示气体，表示液体。

具体实施方式