使用ANSYS-CFX CFD模拟离心泵叶轮

Raghavendra年代Muttalli¹,什维塔Agrawal²,Harshla Warudkar³

打开学生,机械工程系,MVJ工程学院,班加罗尔,印度卡纳塔克邦
机械工程系助理教授,MVJ工程学院,班加罗尔,印度卡纳塔克邦

文摘

离心泵是一种最常用的在不同领域如工业,农业和国内的应用程序。计算流体动力学模拟和分析是最常用的工具。三维数值CFD工具是用于模拟涡轮机械内部的流场特性。CFD模拟可以想象离心泵内部的流动状态。本文描述了头、电力、效率和评估使用ANSYS CFX-14泵性能,计算流体动力学模拟工具。这些模拟离心泵空化流现象有着密切关系,这可能发生在旋转runner-impeller或离心泵的固定部分。数值模拟可以用来检测离心泵的汽蚀和得到安全范围的操作在不同的流量和转速

关键字

离心泵叶轮、CFD、头、功率、效率、空化。

我的介绍。

离心泵是一种涡轮增压机的机械能转化成压力能通过离心力作用于液体。是归类为转子泵的动态类型的开发动态压力使液体从较低水平的提升到更高的水平。由于起重的液体由于离心作用,称为离心泵。离心泵具有较高的产出和比其他类型的泵效率高。为高需求开发一致的机器操作,真正投入使用之前流在整个泵的性能预测。这需要批判性分析的高度复杂的流泵是动荡和三维。CFD模拟可以想象离心泵内部的流动状态,并提供有价值的信息关于离心泵水力设计。仿真结果是用来计算或预测离心泵的性能来取代或减少实验过程中泵的设计。大量的劳动力和设备将被保存,以及它有助于缩短设计周期。因此,巨大的改善离心泵设计必须通过在离心泵内部流动的CFD分析,其结果在泵设计中的应用过程。

许多研究人员利用CFD数值模拟的离心泵。Rajendran和公司[1]Purushothaman Dr.K使用ANSYS-CFX离心泵叶轮进行分析并预测流动模式,在叶片通道压力分布,叶片加载和情节的压力。R沙,年代V Jain和J Lakhera[2]进行分析离心泵和泵的不同部分的背景辐射在非设计工况条件,导致效率下降。P。Usha先生和C。Syamsundar[3]有助于揭示流的模拟在五个不同的离心泵叶轮流动系数即0.0146,0.0346,0.0546(设计流量系数),0.0746和0.0946。提到过Bacharoudis, A.E. Filios,医学博士Mentzos D.P. Margaris[4]有助于揭示离心叶轮内部的流动机制,研究性能通过改变叶片出口角。他们观察一头涨幅超过7%,增加叶片出口角从20到45 o。马可·安东尼奥·罗德里格斯Cunh Helcio弗朗西斯科和维拉诺瓦[5]进行了离心泵空化模型,预测气蚀的地方寻找压力场,因为它有一个直接的蒸汽压力与流量流体温度,成为可以添加设备改善项目,以防止或减少的现象。本文关心的是头部,功率、效率、空化和评估使用ANSYS只泵的性能。

二世。问题陈述

头,离心泵的功率、效率和汽蚀作为本文的重点区域。头与压力。如果你点连续离心泵的排放到空气中,它将泵液体到一定高度称为头。这个最大的头主要由泵的叶轮外径和转轴的速度。头会改变泵的容量是改变。泵的轴功率是机械功率传输由电机轴,而流体动力能源每秒进行流体压力和动能的形式。效率是输出功率与输入功率的比值。由于摩擦和内部泄漏、泵的输入功率大于流体动力。空泡的形成和随后的崩溃或内爆蒸汽泡沫泵。它发生在液体上的绝对压力低于液体的蒸汽压。 If the vapor bubbles collapse with high enough energy, they can remove metal from the internal casing wall, and leave indent marks. More commonly, the pump efficiency will decrease significantly during cavitation and continue to decrease as damage to the impeller increases. It is important to recognize the detection and prevention of cavitation.

三世。啮合

摘要当前一百一十叶片泵叶轮的几何和网格域生成与Ansys Workbench。与四面体非结构化网格细胞用于叶轮的域,如图1所示。

网离心泵叶轮的细节如表1所示。泵叶轮如图完全包含54375个节点和266745个四面体元素。

第四,模拟离心泵

啮合后的模型泵机组商用CFD代码CFX-14用于模拟泵的性能。应用边界条件。的性能结果得到不同质量流量条件下以不同的操作速度通过湍流建模。数值模拟检查检测离心泵的汽蚀和得到安全范围的操作在不同的流量和操作速度。

4.1假设

离心泵内部的流动模拟的基础上完成以下基本假设:

稳态条件。

持续的流体性质。

不可压缩流体。

墙是假定为光滑因此任何扰动流由于粗糙度的表面是被忽视的。

4.2边界条件

边界条件的设定条件指定的行为的一组微分方程的解在边界的领域。数学的帮助下解决方案确定许多物理问题的边界条件。这些条件指定流和热变量边界的物理模型。

泵的各种组件,如进口出口,叶片、轮毂和裹尸布。泵吸入口被定义为总压力边界条件和质量流率在泵出口。其他表面有壁边界条件。旋转的叶轮作为墙,没有滑动墙应用条件。在流体墙界面,必须没有下滑。工作温度在进口指定。

4.3解决方案参数

解决方案在解决任何CFD参数是非常重要的问题。平流方案高分辨率技术是用来模拟泵的性能。湍流数值是一阶。标准k-ε模型用于湍流模型与标准壁面函数。标准k -ε模型是一个基于模型的半经验模型传输方程湍流动能(k)和耗散率(ε)。收敛标准质量,动量和湍流参数4将打败。混合水和乙二醇作为工作流体,与蒸汽压力50000 Pa。数量的迭代用于离心泵的仿真分析是10000卡路里。

泵的性能特征

离心泵的性能特征是预测数值处理清水-乙二醇混合物作为工作流体。头,泵的功率和效率特性预测的CFD分析在7000 rpm, 7700 rpm, 8400 rpm和9100 rpm解释图形数据。CFD分析了质量流率40升分钟,60升分钟,80行分钟,100行分钟,120行分钟,150行分钟,170行分钟和220升分钟。

图2显示生成头部特征曲线在不同转速与流量的增加。,泵的速度保持不变就可以观察到,随着流量的增加减少。我们获得最大的头在9100 rpm和最小的头7000 rpm。曲线的形状随泵的具体速度。从图中很明显,是转速的函数。高水头可以获得更高的转速。头的本质和放电曲线类似于标准泵的曲线。

输入功率是提供的机械功率电动机泵轴。图3显示了输入功率的变化在泵轴为各种转速增加放电。绘制曲线,泵的速度保持不变,变化的轴功率输入绘制对应增加放电。可以看出,随着流量的增加泵的输入功率增加。权力的本质和放电曲线类似于标准泵的曲线。

图4显示了泵的变化与提高放电效率不同的转速。,泵的速度保持不变就可以观察到,随着流量的增加,效率增加,达到最大值额定工况,然后减少当放电增加超出额定工况,抛物线概要文件。效率的本质和放电曲线类似于标准泵的曲线。

5.4空化分析

空化引起损失的离心泵性能和降解的生活。因此,分析离心泵空化是一个非常重要的方面。使用CFD工具可以对空化的地方寻找预测领域的压力,由于空化有直接关系的蒸汽压流流体温度,成为可以添加设备改善项目,以防止或减少的现象,不使用的实验方法,在大多数情况下,成本太高。与CFD工具很容易检测到空化发生在离心泵的不同部分和安全范围的操作在不同的流量和转速。

7000转

图5显示了叶轮的汽蚀分析模型在恒定的质量流率7000 rpm 40 (a), 80 (b), 120 (c)和150升分钟(d),我们观察到无空化操作在40,80和120行分钟。在叶片空泡的形成可以从150升分钟7000 rpm。

7700转

图6显示了叶轮的汽蚀分析模型在恒定的质量流率7700 rpm 40 (a), 80 (b), 120 (c)和150升分钟(d),我们观察到在40和80升分钟无空化操作。在叶片空泡的形成可以从120升分钟7700 rpm

8400转

图7显示了叶轮的汽蚀分析模型在恒定的质量流率8400 rpm 40 (a), 80 (b), 120 (c)和150升分钟(d),我们观察到在40和80升分钟无空化操作。在叶片空泡的形成可以从120升分钟8400 rpm。

9100转

图8显示了叶轮的汽蚀分析模型在恒定的质量流率9100 rpm 40 (a), 80 (b), 120 (c)和150升分钟(d),我们观察到在40升分钟无空化操作。在叶片空泡的形成可以从80升分钟9100 rpm。

图5、6、7和8显示了离心泵的气蚀分析在7000年,7700年,8400年和9100年与质量流率rpm 40 (a), 80 (b), 120 (c)和150升分钟(d)。这可以通过后期处理通过测量压力较低的蒸汽压。使用液体的蒸气压是50000 Pa。颜色除了蓝色显示压力的下降和叶轮叶片上的蒸汽压。这形成空化和离心泵性能的影响,指出从上述分析,空泡增加随着质量流量和转速的增加。这种分析将有助于安全范围的操作在不同的流量和转速。

5.5压力轮廓

离心泵的内部流动的特性可以分析通过使用压力轮廓。研究轮廓的压力有助于理解能量转换发生在泵的不同部分。静压轮廓与跨度不同。静态压力压力面与吸力面。静压轮廓与跨度不同。因为过渡轴向和径向流动,压力高于中心附近的裹尸布。

图9显示了压力设计模型的轮廓的跨度20 (a), 50 (b)和(c) 80%。看到的是压力不断增加的前缘与后缘叶轮的机械能的叶轮旋转的形式转化为能源的压力。可以看出,压力变化是均匀的。

5.6速度矢量轮廓

研究速度轮廓给知道动能和动态压力作用在不同的部分。速度矢量的研究有助于识别流体粒子的方向流经不同的组件。图10显示了设计模型的速度矢量轮廓的跨度20 (a), 50 (b)和(c) 80%。速度不断增加的机械能转化成动能。

六。结论

流动通过使用商业CFD软件包ANSYS-CFX离心泵进行了分析。CFD分析进行设计和设计条件和报道。仿真结果得到了在操作速度7000,7700,8400,9100 rpm不同运输的液体质量流率。利用湍流建模k-Epsilon执行仿真。性能图表,空化分析,压力轮廓和速度矢量等高线预计。

使用ANSYS-CFX网格生成成功。性能结果令人满意地匹配与测试数据,因此网格质量很好。

设计流量的增加会导致减少泵的总负责人。

在叶片前缘附近低压是观察。

几乎类似的趋势观察当CFD预测的操作特性曲线与模型试验结果进行了比较。

性能结果表明,静压头总质量流量的功能与操作速度常数。

模型是免费的从空化在设计点也指出,增加叶片空泡的形成是随着质量流量和转速的增加

引用

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