8 812 123 45 67
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.

вернуться к списку новостей
Рассчитать стоимость онлайн
Сообщите основную информацию о вашей задаче, ответьте на несколько вопросов и мгновенно получите оценку трудоемкости актуальной для вас инженерной задачи.
Узнать цену
Связанные новости
18 января 2023

Оценка прочности строительных конструкций АЭС «Эль-Дабаа» при падении тяжелого коммерческого самолета

Специалисты АО «ЦИФРА» выполнили комплекс работ по численному моделированию и оценке прочности строительных конструкций АЭС «Эль-Дабаа» при падении тяжелого коммерческого самолета по заказу АО «Атомэнергопроект».
Новости
17 октября 2022

Эксперты АО «ЦИФРА» выступили на нефтегазовой конференции АО «ТомскНИПИнефть»

Специалисты АО «ЦИФРА» приняли участие в V научно-технической конференции «Технологии обустройства нефтяных, газовых и газоконденсатных месторождений», организованной АО «ТомскНИПИнефть». Событие состоялось 20-21 сентября 2022 года и стало местом встречи учёных и практиков, проектировщиков и представителей служб эксплуатации – специалистов, представляющих наиболее актуальные разработки в сфере обустройства, подготовки нефти и газа.
Новости
Связанные публикации в блоге
26 января 2023

Численное моделирование распылительной форсунки

Специалистами АО «ЦИФРА» осуществлено моделирование распылительной форсунки с использованием гибридной модели VOF-to-DPM.
Блог
19 июля 2022

Численное моделирование процессов горения твердого ракетного топлива

В ракетно-космической отрасли наибольшее распространение получили двигатели на жидком и твёрдом ракетном топливе. Среди преимуществ твердотопливных ракетных двигателей можно отметить как длительный срок хранения топлива, так и относительную простоту конструкции и дешевизну самих двигателей, что обуславливает их широкое применение в этой отрасли. Одним из важнейших процессов в камере сгорания ракетного двигателя является процесс горения твёрдого топлива, так как он определяет газоприход в двигателе и, следовательно, его секундный массовый расход и развиваемую тягу.
Блог
Связанные вебинары
23 декабря 2020

Повышение эффективности процессов промышленной газоочистки с использованием численного моделирования

На вебинаре рассмотрим численное моделирование современных газоочистных установок.
Вебинары
Сделайте заказ
Изменить файл
Поля, отмеченные звездочкой (*) обязательны для заполнения.
Успешно отправлено! Наш специалист свяжется с Вами в ближайшее время!