Проекты

CFD-расчет проточной части ступени центробежного насоса

Объект исследования – проточная часть ступени центробежного насоса в составе следующих структурных элементов: рабочее колесо, лопаточный диффузор, обратно-направляющий аппарат. Целью работы является моделирование пространственного течения в межлопаточных каналах и определение характеристик ступени.

В качестве исходных данных использованы твердотельные CAD-модели элементов ступени насоса, ограничивающие её проточную часть. В работе было необходимо определить скорости течения в межлопаточных каналах, выделить линии тока, зоны отрыва потока и рециркуляции и вывести графики и распределения, идентифицирующие их. На стадии предварительных расчётов определено ожидаемое значение напора развиваемого в ступени компрессора, это значение использовано в качестве опорного на выходе ступени для визуализации давления в проточной части.

Для корректного моделирования пространственного течения среды в проточной части ступени насоса на входе колеса, необходимо знать профиль скоростей. В ходе работы принято решение не моделировать проточную часть всасывающей камеры, а для получения корректной картины течения смоделировать кольцевой участок трубопровода на входе для уменьшения влияния граничных условий на распределение скоростей.

Построение расчетной модели насоса

Для улавливания зон отрыва и присоединения в потоке необходимо построить сеточную расчетную модель с высоким разрешением пограничного слоя на всех границах жидкость-стенка. Чтобы определить параметры такого разбиения необходимо предварительно произвести оценку параметров потока вдоль этой стенки, а затем уже выполнить разбиение исходя из полученных значений. Параметры такого разбиения были определены и с их помощью построена сеточная модель проточной части ступени многоступенчатого центробежного насоса. Для построения сетки использован программный модуль ANSYS Meshing.

Fig1 Pump CFD mesh

Рисунок 1 - Поверхностная расчётная сетка на втулке колеса и поверхностях лопаточного венца

 

Fig2 Pump CFD Mesh

Рисунок 2 - Поверхностная расчётная сеточная модель лопаток диффузора и поверхности со стороны втулки

Начальные и граничные условия

Расчёт производился без учёта теплообмена и сжимаемости. Для определения свойств среды были установлены следующие условия: температура 104 °С, плотность 950 кг/м3, вязкость 0,0002522 Па·с. На входе в колесо задаётся массовый расход 65,97 кг/c (в пересчёте на объёмный 250 м3/ч). На выходе задаётся опорное давление 1.461 МПа (относительно него считаются давления во всех точках, значение взято для получения ориентировочного давления в 1 атм на входе в колесо).  Частота вращения колеса – 3000 об/мин.

Расчет выполнен в программной системе ANSYS CFX. 

Оценка результатов расчета

В качестве выходных параметров расчета получены распределения давлений, меридиональная и окружная компоненты скорости потока в различных точках, распределения вдоль поверхностей лопатки колеса и диффузора, а также средневзвешенные значения по площади в следующих зонах: область рабочего колеса, область лопаточного диффузора, область обратного направляющего аппарата.

Fig3 Pump Stage VelocityРисунок 4 - Распределение меридиональной проекции скорости в проточной части ступени насоса 

Fig4 Pump Stage Velocity

Рисунок 5 - Распределение скорости в среднем поперечном сечении проточной части ступени

Fig5 Pump Stage Outlet Pressure

Рисунок 6 - Распределение полного давления на выходе ступени

 

Выводы и рекомендации

В работе проведено численное моделирование течения жидкой среды (воды) в проточной части первой ступени центробежного насоса. Определены основные параметры потока как в подвижных элементах ступени насоса, так и в неподвижных, выведены распределения основных непрерывных величин. Полученные данные позволяют определить качественно и количественно процессы переноса жидкой среды, определить напор ступени, зоны рециркуляции и многие другие характеристики насоса.

При моделировании пространственного течения в рабочем колесе на входе обнаружено крайне неравномерное распределение потока в радиальном направлении. В связи с этим, влияние распределения скоростей на входе в колесо на пространственное течение среды в проточной части ступени весьма значительно и необходимо дополнительное исследование с моделированием всасывающей камеры на входе в ступень.

В процессе движения колеса под действием осевых и центробежных сил профиль колеса может изменить своё положение относительно изначального в состоянии покоя. В связи с этим необходимо провести расчёты напряжённо-деформированного состояния для определения реальной геометрии колеса на рабочем режиме работы.

При движении потока за выходом колеса наблюдается значительная диффузорность потока со смещением его в сторону покрывающего диска, при таком движении среды происходят значительные вихреобразования и потери энергии на входе в лопаточный диффузор, а также, из-за больших градиентов давления, может привести к образованию и схлопыванию кавитационных пузырей и эрозии лопаток. В связи с отсутствием данных по изменению положения ротора под действием осевых и центробежных сил, рекомендовано соблюсти соосность диффузора с колесом в меридиональном сечении на месте их сопряжения.

Связанные новости
В октябре этого года Центр инженерно-физических расчетов и анализа (АО «ЦИФРА») отмечает 5 лет со дня создания компании.
Инженеры АО «ЦИФРА» разработают материалы для верификационного отчета к аттестационному паспорту программного средства Ansys/LS-DYNA по заказу АО «АТОМПРОЕКТ». В материалах будет содержаться описание и выбор моделей материалов бетона и арматуры, описание и решение верификационных задач.
Связанные публикации в блоге
В условиях пандемии коронавируса исследователи ищут пути предотвращения новых заражений. Теперь, когда Всемирная организация здравоохранения признала, что коронавирус способен длительное время оставаться на поверхности предметов и распространяться вместе с частицами по воздуху, стало очевидно, что вопросы дезинфекции и управления воздушными потоками играют ключевую роль в борьбе с эпидемией.
Задачи на расчет дрейфа судна (снос судна с линии курса под совместным действием ветра и вызванного им волнения), его курсовой устойчивости и ходкости являются чрезвычайно актуальными. Особенно важно провести расчеты при движении судов с большим водоизмещением, например, контейнеровозов и балкеров, по фарватерам и узким каналам, где возможен выход на мель. Подобные задачи зачастую возникают при проектировании портов и перегрузочных терминалов.
Связанные вебинары

Закажите расчет

Команде профессионалов
Изменить файл
Поля, отмеченные звездочкой (*) обязательны для заполнения.
Успешно отправлено! Наш менеджер свяжется с Вами в ближайшее время!