[发明专利]一种叶片泵内部回流及回流旋涡空化的数值预测方法

说明书

本发明公开了一种叶片泵内部回流及回流旋涡空化的数值预测方法，用于预测叶片泵运行在小流量工况下其内部回流及回流旋涡空化现象。包括：步骤1)在CFD软件中分别对不同工况下泵内部流动的定常及泵内部空化流动进行数值计算，提取流场信息，获取叶轮空泡分布。步骤2)基于步骤1)的数值计算结果，进行泵内部非定常流动的数值计算，设置相关压力脉动监测点。对典型的工况点进行非定常数值模拟，提取流场与压力脉动信息。步骤3)基于步骤2)对比各监测点的主频，并对压力脉动信号进行相位相关性分析，获取不稳定流动单元数及相应的轴向与径向特征。基于步骤1)、2)流场信息，对比分析回流与回流旋涡空化发生的临界工况点。

技术领域

本发明属于与叶片式流体机械空化相关的技术领域，尤其涉及到一种叶片泵内部回流与回流旋涡空化数值预测方法。

背景技术

叶片泵广泛应用于航空航天，石油、化工、水利等重要的国民经济领域，具有结构简单、性能可靠和维修方便等优点。泵在偏离设计工况下运行时，特别是小流量工况运行时，离心泵进口容易产生回流，回流漩涡中心的压力极低，并容易在吸水管路中出现低压区，而低压区会导致空化产生。

空化现象普遍存在于泵类旋转机械及其他水力机械中，对于泵类旋转机械而言，空化现象带来的影响大多是负面的。在设计的早期阶段预报空化现象变得十分重要。因试验方法存在设计周期长、设计成本高等问题；因此，为了解决这一问题，一种借助CFD数值计算的离心泵回流及回流旋涡空化的数值预测方法被提出。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明提供一种基于计算流体软件的叶片泵内部回流及回流旋涡空化的数值预测方法，以准确且高效地对在非设计工况下运行的叶片泵发生回流与回流旋涡空化进行预测。

为达到以上目的，采用如下计算方案，一种叶片泵内部回流与回流旋涡空化的数值预测方法，包括以下步骤：

步骤一：

步骤1)采用三维软件Creo对叶片泵的流体域进行三维造型，输出后缀为stp的模型文件；

步骤2)将步骤1)中所建立的三维模型导入ICEM中，对流体域进行网格划分，包括：叶轮、蜗壳、出口、进口及进出口延伸段，网格形式采用六面体结构网格，并且对结构网格添加边界层，使y+值最大值小于300并检查网格质量，选取合适的网格数以保证计算精度，并进行网格无关性分析，输出后缀为cfx的网格文件；

步骤二：

步骤3)将步骤2)的网格文件导入ANSYS-CFX中选择Steady计算模式，设置求解器参数：

设定工作流体属性：T＝25℃清水，设置水在该温度下的密度及粘性系数；设置进出口边界条件：总压进口，质量流量出口，设定初始进口压力边界条件1atm，通过设定不同的出口质量流量来改变泵的运行工况；选择isothermal传热模型，RNG k-ε湍流模型；设置泵叶轮的转速；旋转计算域壁面设置为无滑移壁面，设置旋转轴与叶轮旋转方向一致壁面相对速度设为0，使用rotating坐标系；静止计算域壁面设置为无滑移壁面，设置为全局静止坐标系；动静计算域交界面采用MRF多重参考系，变换坐标系设置为Frozen Rotor，网格连接方式设置为GGI；静静计算域交界面连接模型设为普通连接，网格连接方式设为GGI；求解器参数中对流项、湍流数值项、求解步数、计算收敛条件为1e-4，完成各工况下泵内部流动的定常数值计算的设置，并输出为def的数值计算文件。

步骤4)通过对湍流模型、泵进出口边界条件、泵进出口管道延伸段长度进行修正，对叶片泵内部流动的定常数值计算方法进行优化并验证直至达到预测精度，然后进行下一步。

步骤三：

步骤5)选取具有代表性的4个工况点：设计工况点(1.0Q)与小流量工况点(0.85Q、0.51Q、0.34Q)。