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            基于AcuSolve和HyperMorph水泵三維流動數值模擬及性能影響研究

               2012-12-10 中國空分網
            核心提示: 摘要:采用Altair公司CFD軟件AcuSolve對離心水泵進行了定常三維流動模擬。數值模擬基于N-S方程,采用Spalart-Allmaras一方程湍流
              摘要:采用Altair公司CFD軟件AcuSolve對離心水泵進行了定常三維流動模擬。數值模擬基于N-S方程,采用Spalart-Allmaras一方程湍流模型和參考坐標系法(Reference Frame)模擬葉輪旋轉流場,并根據流場特征分析了水泵隔舌附近為重點考察區域。然后采用HyperMesh中的HyperMorph功能對水泵蝸殼隔舌外形進行網格變形設計,探討了蝸殼隔舌半徑對水泵性能的影響。 
            關鍵詞:水泵 流動數值模擬 AcuSolve 網格變形 

            1 概述 

            隨著計算機技術的發展,計算流體動力學(CFD)作為一種數值模擬方法,正逐漸走向成熟,在水泵、風機等流體機械領域中的應用越來越廣泛。借助CFD技術,可以得到水泵內任意位置的細節,如速度、壓力、能量損失,壓力脈動和漩渦等等,并可以計算出全工況范圍內的揚程、功率、效率等特性,從而減小試驗成本,縮短開發周期。另外,還可以根據水泵內的流動分離,間隙流動等優化水泵的性能,預測汽蝕等重要現象。 

            然而目前基于有限體積法的CFD計算很大程度上受到網格生成的限制,網格的拓撲、質量的好壞直接影響數值結果的精度,甚至影響計算的成敗。對于復雜的CFD問題,網格生成更為耗時耗力,且容易出錯,網格生成的時間甚至占到整個CFD計算周期的70%~80%,大大增加了產品的設計周期。而本文所采用的CFD求解器AcuSolve是基于先進的伽遼金/最小二乘法的有限元技術,區別于目前其它基于伽遼金有限元CFD軟件不穩定的特點,AcuSolve引入了最小二乘算子,增加了足夠的穩定性,同時又保證了求解的精確性和守恒性。其最直觀的特點在于在完全非結構四面體網格上保持很高的精確性,對網格的拓撲,質量要求不高,同時也能達到很快速的收斂性。這樣大大降低了前處理劃分網格的難度,縮短了CFD計算的周期。另外對于CFD的優化設計,往往根據流場信息提出外形的改善設計思路,傳統的方法通常需要返回到CAD軟件中進行再次幾何建模,然后重新劃分網格,進而再次進行CFD計算,這種CFD—CAD—CFD反復的設計過程大大降低了CFD優化設計的效率,而本文所采用的HyperMesh中的HyperMorph技術,可以直接對網格進行靈活的變形,得到自己想要的外形,從而無需返回到CAD軟件中進行再次造型,因此這種網格變形技術很大程度上增加了CFD優化設計的效率。 

            2 計算模型 

            2.1 幾何模型與網格劃分 

            為了減小網格數目,對該模型的一些非關鍵區域,如葉輪基座底部的幾何外形進行了一定的簡化,并去除非流體區域,如水泵外層殼體,并適當延長了出口管道以使得計算更容易收斂。計算的幾何模型如圖1所示。模型采用HyperMesh進行表面網格劃分,然后將表面網格模型導入AcuSolve的專用前處理器AcuConsole中劃分體網格和邊界層網格。網格節點數480905,單元數2586059。圖2所示為用HyperMesh生成的表面網格。

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            圖1 幾何模型 圖2 葉片表面網格

            2.2 物理模型及邊界條件 

            本文采用AcuSolve,基于NS控制方程及Spalart-Allmaras湍流模型模擬水泵內的三維湍流。采用參考坐標系法(Reference Frame)模擬葉輪的旋轉流動,葉輪取運動坐標系,泵殼及進出水管道采用固定坐標系。計算邊界條件如下: 

            (1). 進口為體積流量進口邊界條件。 
            (2). 出口為壓力出口邊界條件,靜壓值設為0. 
            (3). 其它為固壁無滑移條件,湍流壁面采用標準壁面函數法。 
            (4). 葉輪旋轉速度為3000r/min。 

            3計算結果及水泵性能影響分析 

            3.1 計算結果分析 

            本文首先在20L/min的進口流量下對水泵進行了計算,獲得了該工況下水泵內的流動細節。從圖3葉輪流動出口附近區域速度矢量圖可以看到蝸殼隔舌附近的流場比較復雜,出現了明顯了漩渦流,泵殼與葉輪之間的相互干涉對泵內的流動有重大影響。

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            圖3 某葉高截面隔舌附近速度矢量圖

            另外,泵內的流動噪聲主要分為葉輪旋轉引起的旋轉噪聲以及泵內的渦流噪聲,從圖4的渦強分布可以看出,隔舌與葉輪之間的相互干涉不但使得隔舌附近區域的渦流強度較大,同時也大大增強了葉尖的渦流強度,是水泵噪聲的主要來源之一。因此由上面分析可以看出,隔舌附近流場復雜,考察隔舌的設計對水泵的性能有著重要的影響。

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            圖4 渦強分布

            3.2 修形設計 

            為了考察不同隔舌外形對水泵性能的影響,需要對隔舌進行修形。傳統的方法一般需要配合CAD軟件進行再次造型,然后重新生成網格,進而計算,這樣的流程不但繁瑣,而且影響了CFD設計的效率。本文采用了HyperMesh中的HyperMorph功能,直接對隔舌附近表面網格進行變形處理,不但提高了設計效率,同時不同方案之間的網格差異也比較小,減輕了重新劃分網格帶來的網格差異對計算結果的影響。另外由于本文采用的CFD求解器AcuSolve對網格質量要求很低,因此即使在變形過程中出現網格扭曲,AcuSolve在計算中也能保持很高的穩健性。

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            圖5 隔舌附近創建Morph volume和handles

            如圖5所示,HyperMorph通過創建Morph Volume的方式定義隔舌附近區域為可變形的區域,再通過移動handles來靈活控制隔舌表面網格的變形,從而得到想要的外形。修形后的隔舌外形較原外形過渡半徑變大,即葉輪的間隙也變大。如圖6所示。

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            修形前 修形后 
            圖6 修形前后隔舌附近表面網格

            3.3 水泵性能影響結果分析 

            通常水泵的主要性能參數有流量、壓頭、效率和軸功率等。它們之間的關系常用特性曲線來表示。特性曲線為一定轉速下,流量-揚程(Q-H)、流量-效率()、流量-功率(Q-N)等曲線。根據揚程H的定義:

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            考慮到兩種設計下z1、z2和u1、u2相同,因此采用壓差 來表征揚程。而效率的定義為:

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            因此在效率計算時采用壓差 來表征公式中的揚程 。另外轉速一定情況下,采用扭矩 來衡量功率的對比。最后根據效率公式,自定義效率系數 來對比不同設計外形下的相對效率大小。 

            本文計算了15L/min、20L/min和25L/min三種進口流量下的兩種水泵外形的特性對比情況。性能參數如表1所示:

            表1 修形前后水泵性能參數對比 
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            修形前后特性曲線對比如圖7所示,可以看出增大隔舌間隙后,相同流量下修形后較原外形壓差在一定程度上有所減小,而軸功率基本相同,因此導致水泵效率有所下降。

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            圖7 修形前后水泵性能曲線對比

            圖8是25L/min進口流量下某葉高截面的速度云圖對比,可以看到修形后隔舌附近的回流區域略有擴大,特別是影響了下游區域的流動特性,底端葉片附近的回流區域增大,渦流損失變大,而右側葉輪附近也有一定的局部損失,整個水泵性能下降。

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            修形前 修形后 
            圖8 25L/min進口流量下某葉高截面的速度云圖

            圖9表征了修形前后隔舌區域的渦強分布,修形后隔舌中心區域渦強減小,葉片尖端大渦強區域也略有減小,因此隔舌與葉片間隙增大后渦流噪聲有所減小。

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            修改前 修改后 
            圖9 隔舌區域的渦強分布

            4 結論 

            本文采用Altair HyperWorks軟件對水泵進行了三維流動數值模擬,分析了流場中的重點區域,并考察了隔舌外形對水泵性能的影響,結論如下: 

            (1). CFD求解器AcuSolve在完全四面體非結構網格上保持了良好的收斂性和穩定性,在一定程度上放寬了對網格質量的要求。 

            (2). HyperMesh的網格變形技術HyperMorph能實現對網格的直接變形,使得CFD的外形設計完全脫離CAD軟件,大大加快了CFD設計的效率,縮短了設計周期。 

            (3). 通過對水泵隔舌外形的影響分析得出,增大隔舌的過渡半徑,即增大隔舌與葉片的間隙會降低水泵的揚程和效率,但同時可以帶來一定的渦流噪聲的減弱。 

            5 參考文獻 
            [1] AcuSolve Command Reference Manual V1.8. Altair, 2008 
            [2] 王福軍,黎耀軍等. 水泵CFD應用中的若干問題與思考[J]. 排灌機械, 2005.
             
             
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