一種自吸泵自吸過程流動(dòng)模擬的計(jì)算方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種自吸泵自吸過程流動(dòng)模擬的計(jì)算方法,包括以下步驟:步驟1、以自吸離心泵作為研究對象，利用模擬計(jì)算的初始條件進(jìn)行計(jì)算；模擬計(jì)算的初始條件的確定方法為：取一段進(jìn)水管充滿空氣作為模擬計(jì)算的初始條件；步驟2、運(yùn)用非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬手段對自吸離心泵起動(dòng)后氣液兩相流動(dòng)的瞬態(tài)過程進(jìn)行模擬；步驟3、估算自吸性能參數(shù)。具有能效解決離心泵自吸過程的瞬態(tài)氣液兩相流場的模擬問題，了解自吸離心泵啟動(dòng)過程的氣液兩相的流動(dòng)過程和狀態(tài)，有效彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)研究手段的不足，節(jié)約實(shí)驗(yàn)研究手段的資金和時(shí)間的投入，并可通過分析氣液相流量隨時(shí)間的變化規(guī)律，估算自吸泵自吸性能參數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種自吸泵自吸過程流動(dòng)模擬的計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種自吸泵優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，特別涉及一種自吸泵自吸過程流動(dòng)模擬的計(jì)算方法。
【背景技術(shù)】
[0002]自吸離心泵以其特有的自吸功能廣泛應(yīng)用于石油、石化、化工、電力、冶金、城建等部門。自吸泵起動(dòng)后先是作為真空泵工作，當(dāng)進(jìn)水管中的空氣排出后就變成一般水泵工作。因此自吸泵的性能分為自吸性能和水泵性能兩部分。自吸性能一般是以泵的自吸時(shí)間(或抽氣率)和泵的最大自吸高度(或極限真空度)來衡量，通常都是通過試驗(yàn)手段確定。但是試驗(yàn)往往會(huì)受到模型尺寸、流場擾動(dòng)、人身安全和測量精度的限制，無法準(zhǔn)確的得到正確結(jié)果，且試驗(yàn)方法人力、物力、財(cái)力投入巨大，周期時(shí)間長。試驗(yàn)結(jié)果只能表征外特性參數(shù)，無法獲知泵內(nèi)流場的特征和細(xì)節(jié)。目前基于計(jì)算流體力學(xué)(Computational FluidDynamics, CFD)的自吸泵氣液兩相流數(shù)值模擬研究，在一定程度上了解了自吸泵內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)和水力性能。現(xiàn)有成果基本上是采用自吸泵入口含氣率按某個(gè)固定值作為初始條件的處理辦法，但現(xiàn)實(shí)中自吸泵起動(dòng)前，一部分進(jìn)水管充滿氣體；泵起動(dòng)后在一段很短的時(shí)間內(nèi)，泵入口的含氣率隨時(shí)間和空間的變化都非常顯著，而目前的方法并不能描述含氣率變化的特征和趨勢，因此上述的模擬計(jì)算與實(shí)際情況會(huì)有較大偏差，并不能很好的代替試驗(yàn)方法。顯然目前此類模擬和初始條件設(shè)置方式并不能的應(yīng)用于模擬計(jì)算、優(yōu)化和設(shè)計(jì)自吸栗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種自吸泵自吸過程流動(dòng)模擬的計(jì)算方法，該計(jì)算方法有效的克服了現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)。
[0004]本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):一種自吸泵自吸過程流動(dòng)模擬的計(jì)算方法，包括以下步驟:
[0005]步驟1、以自吸離心泵作為研究對象，利用模擬計(jì)算的初始條件進(jìn)行計(jì)算；
[0006]步驟2、運(yùn)用非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬手段對自吸離心泵起動(dòng)后氣液兩相流動(dòng)的瞬態(tài)過程進(jìn)行模擬；
[0007]步驟3、估算自吸性能參數(shù)。
[0008]所述步驟I中，模擬計(jì)算的初始條件的確定方法為:采用接近真實(shí)自吸情形即取一段進(jìn)水管充滿空氣作為模擬計(jì)算的初始條件。本發(fā)明摒棄了前人模擬計(jì)算采用的以自吸泵入口含氣率的某個(gè)固定值作為初始條件的處理辦法。
[0009]所述步驟3中，估算自吸性能參數(shù)的估算方法為:計(jì)算出自吸泵內(nèi)氣液兩相分布、壓力分布和速度分布與時(shí)間的關(guān)系以及葉輪入口和泵出口氣液相流量隨時(shí)間的變化，并以此估算自吸性能參數(shù)。
[0010]本發(fā)明用于自吸泵自吸過程流動(dòng)的模擬，提供了一種更好的自吸泵自吸過程流動(dòng)模擬計(jì)算方法和自吸泵優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明的工作原理:本發(fā)明選取一種常用的立式外混式自吸離心泵作為模擬對象。采用了接近真實(shí)自吸情形的設(shè)置，即取一段進(jìn)水管充滿空氣作為計(jì)算的初始條件。運(yùn)用非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬手段對自吸離心泵起動(dòng)后氣液兩相流動(dòng)的瞬態(tài)過程進(jìn)行模擬。利用計(jì)算出的自吸泵內(nèi)氣液兩相分布、壓力分布和速度分布與時(shí)間的關(guān)系以及葉輪入口和泵出口氣液相流量隨時(shí)間的變化關(guān)系，來估算自吸性能參數(shù)。
[0011]計(jì)算邊界條件采用滑移網(wǎng)格進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計(jì)算，設(shè)置泵體與葉輪接觸的交界面為滑移界面，葉輪域設(shè)在轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)系，其余區(qū)域設(shè)在固定坐標(biāo)系。
[0012]控制方程采用多相流VOF方法和標(biāo)準(zhǔn)k_ ε湍流模型，計(jì)算方法為非定常三維有限體積SIMPLE的隱式算法，時(shí)間步長根據(jù)自吸泵的轉(zhuǎn)速值和葉片數(shù)確定。兩相流動(dòng)、湍動(dòng)能及湍流耗散率的離散格式均取二階迎風(fēng)格式。
[0013]以計(jì)算得到的自吸泵內(nèi)氣液兩相分布、壓力分布和速度分布與時(shí)間的關(guān)系，葉輪入口和泵出口氣液相流量隨時(shí)間的變化規(guī)律，估算自吸性能參數(shù)。
[0014]本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果:
[0015]1、采用此發(fā)明涉及的計(jì)算方法，即采用接近真實(shí)自吸情形作為初始條件等前處理設(shè)置，可以有效解決離心泵自吸過程的瞬態(tài)氣液兩相流場的模擬問題，由此可估算自吸時(shí)間等自吸性能參數(shù)；
[0016]2、采用本發(fā)明涉及的計(jì)算方法，即采用CFD方法和本發(fā)明的計(jì)算設(shè)置和方法，可以了解自吸離心泵啟動(dòng)過程的氣液兩相的流動(dòng)過程和狀態(tài)，從而能在較短的時(shí)間內(nèi)預(yù)測流場，幫助理解泵體內(nèi)部流動(dòng)問題，有效彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)研究手段的不足，節(jié)約實(shí)驗(yàn)研究手段的資金和時(shí)間的投入，為實(shí)驗(yàn)提供指導(dǎo)，為設(shè)計(jì)提供參考。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明模擬計(jì)算所使用的自吸泵三維造型圖，其中，I表示進(jìn)水管，2表示蝸殼，3表不氣液分離室,4表不儲液室,5表不泵體,6表不葉輪,7表不出水管。
[0018]圖2是本發(fā)明的自吸泵數(shù)值模擬的初始條件設(shè)置對應(yīng)的氣體體積分?jǐn)?shù)分布云圖，
其中，g表示氣體，_表示液體。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0020]實(shí)施例
[0021]如圖1所示，選取一種常用的立式外混式自吸離心泵作為研究對象,應(yīng)用Pro/E對自吸泵流動(dòng)域進(jìn)行三維實(shí)體造型，并將其導(dǎo)入ICEM進(jìn)行結(jié)構(gòu)/非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格單元?jiǎng)澐?，所述立式外混式自吸離心泵包括進(jìn)水管1、蝸殼2、氣液分離室3、儲液室4、泵體5、葉輪6和出水
管7 ο
[0022]如圖2所示，選取水和25°C空氣分別作為液相和氣相，采用接近真實(shí)自吸情形的設(shè)置(即:選取一段進(jìn)水管I充滿氣體作為計(jì)算的初始條件)，自吸過程視為等溫過程，進(jìn)出口邊界條件根據(jù)壓力來設(shè)置。[0023]自吸泵自吸過程流動(dòng)模擬的計(jì)算采取以下的簡化措施:(1)自吸泵以恒定的工作轉(zhuǎn)速運(yùn)行；(2)選取葉輪6吸入安裝高度為200mm，選取進(jìn)水管I空氣吸入段長度為495mm ；
(3)當(dāng)自吸泵內(nèi)95%~99%的空氣排除泵體時(shí)計(jì)算終止。
[0024]采用滑移網(wǎng)格進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計(jì)算，設(shè)置泵體5與葉輪6接觸的交界面為滑移界面，葉輪6域設(shè)在轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)系，進(jìn)水管I的進(jìn)水管域、蝸殼2的蝸殼域、氣液分離室3的氣液分離室域、儲液室4的儲液室域和出水管7的出水管域均設(shè)在固定坐標(biāo)系。
[0025]控制方程采用多相流VOF方法和標(biāo)準(zhǔn)k_ ε湍流模型，計(jì)算方法為非定常三維有限體積SIMPLE的隱式算法，時(shí)間步長根據(jù)自吸泵的轉(zhuǎn)速值和葉輪6葉片數(shù)確定。兩相流動(dòng)、湍動(dòng)能及湍流耗散率的離散格式均取二階迎風(fēng)格式。
[0026]計(jì)算中出現(xiàn)的基本控制方程組如下:
[0027]連續(xù)性方程:
【權(quán)利要求】
1.一種自吸泵自吸過程流動(dòng)模擬的計(jì)算方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1、以自吸離心泵作為研究對象，利用模擬計(jì)算的初始條件進(jìn)行計(jì)算；所述模擬計(jì)算的初始條件的確定方法為:取一段進(jìn)水管充滿空氣作為自吸過程流動(dòng)模擬計(jì)算的初始條件； 步驟2、運(yùn)用非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬方法，對自吸離心泵起動(dòng)后氣液兩相流動(dòng)的瞬態(tài)過程進(jìn)行數(shù)值模擬； 步驟3、估算自吸性能參數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的自吸泵自吸過程流動(dòng)模擬的計(jì)算方法，其特征在于，所述步驟I中，所述自吸過程視為等溫過程，所述等溫過程的進(jìn)出口邊界條件根據(jù)壓力來設(shè)置。
3.如權(quán)利要求1所述的自吸泵自吸過程流動(dòng)模擬的計(jì)算方法，其特征在于，所述步驟2中，對自吸離心泵的所述數(shù)值模擬采用滑移網(wǎng)格進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計(jì)算:設(shè)置泵體與葉輪接觸的交界面為滑移界面，葉輪域設(shè)在轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)系，進(jìn)水管域、蝸殼域、氣液分離室域、儲液室域和出水管域均設(shè)在固定坐標(biāo)系；對自吸離心泵的所述數(shù)值模擬的控制方程通過多相流VOF方法和標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型來確定，計(jì)算所述控制方程的方法為:非定常三維有限體積SMPLE的隱式算法，所述控制方程的時(shí)間步長根據(jù)自吸泵的轉(zhuǎn)速值和葉片數(shù)確定；所述控制方程的兩相流動(dòng)、湍動(dòng)能及湍流耗散率的離散格式均取二階迎風(fēng)格式。
4.如權(quán)利要求1所述的自吸泵自吸過程流動(dòng)模擬的計(jì)算方法，其特征在于，所述步驟3中，估算自吸性能參數(shù)的估算方法為:利用計(jì)算出的自吸泵內(nèi)氣液兩相分布、壓力分布和速度分布與時(shí)間的關(guān)系以及葉輪入口和泵出口氣液相流量隨時(shí)間的變化關(guān)系，來估算自吸性能參數(shù)。
5.如權(quán)利要求1所述的自吸泵自吸過程流動(dòng)模擬的計(jì)算方法，其特征在于，在所述步驟I之前，至少采取以下一種簡化措施:(I)自吸泵以恒定的工作轉(zhuǎn)速運(yùn)行；(2)選取葉輪吸入安裝高度為200mm，選取進(jìn)水管空氣吸入段長度為495mm ;(3)當(dāng)自吸泵內(nèi)95%~99%的空氣排出泵體時(shí)，計(jì)算終止。
6.如權(quán)利要求3所述的自吸泵自吸過程流動(dòng)模擬的計(jì)算方法，其特征在于，所述非穩(wěn)態(tài)計(jì)算采用滑移網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，設(shè)置泵體與葉輪接觸的交界面為滑移界面，葉輪域設(shè)在轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)系，進(jìn)水管域、蝸殼域、氣液分離室域、儲液室域和出水管域均設(shè)在固定坐標(biāo)系。
7.如權(quán)利要求3所述的自吸泵自吸過程流動(dòng)模擬的計(jì)算方法，其特征在于，所述控制方程的基本控制方程組如下:連續(xù)性方程:^
【文檔編號】G06F17/50GK103631992SQ201310549686
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年11月7日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月7日
【發(fā)明者】黃思, 郭京 申請人:華南理工大學(xué)