Москва:

(495) 648-42-86

Санкт-Петербург:

(812)  648-42-86

solvemultiphysics.ru

расчет проточной части центробежного насоса

В рамках выполненного исследования проведен CFD-расчет двух конфигураций центробежного насоса. Определены застойные зоны, предложены пути модификации проточной части для улучшения характеристик насоса.

Постановка задачи

Объект исследования

В рамках настоящего исследования рассматриваются две конфигурации центробежного насоса. Для исходной конфигурации геометрическая модель была предоставлена заказчиком. Модифицированная конфигурация получалась из оригинальной за счет уменьшения высоты насоса на 0,5 м. Также в модифицированную конфигурацию проточной части внесены изменения по итогам анализа исходной конфигурации – выполнено перепрофилирование верхней части полости между кожухом и улиткой.

В качестве рабочей жидкости используется соленая вода. Рабочая часть насоса вращается с угловой скоростью равной 375 об/мин. Характерным параметрами данной задачи является число Рейнольдса, построенное по входному диаметру и равное 3∙107, что соответствует полностью развитому течению.

Следует отметить, что в силу того, что заказчиком не была предоставлена геометрия рабочей части насоса, данная часть насоса моделировалась в упрощенной постановке без учета лопаток.

01 разрез центробежного насоса

Разрез центробежного насоса в плоскости XY

Расчетная сетка

Для построения расчетной области и расчетной сетки использовался пакет ANSYS ICEM CFD. Расчетная сетка состоит из трех частей: полости между кожухом и улиткой, рабочей части и улитки. Расчетная сетка строилась полностью тетраэдральной, при этом для оригинальной геометрии размер сетки составлял 529 746 ячейки, а для модифицированной – 441 101 ячейки.

02 расчетная сетка улитка насоса

Расчетная сетка для улитки

На входе в расчетную область задавалось значение скорости равное 7 м/с и направление течения. На выходе из расчетной области задавалось давление равное 285 621 Па. На границе между рабочей частью насоса и остальными частями задавался обобщенный сеточный интерфейс (General Grid Interface, GGI) с учетом поправки на вращение.

Численный метод решения CFD задачи

Для решения задачи расчета проточной части центробежного насоса использовался коммерческий код общего назначения ANSYS CFX. В рамках данного кода используется метод конечных объемов для неструктурированных сеток с центрами объемов в узлах сетки. Для расчета конвективных потоков использовалась схема 2-го порядка Барта‑Йесперсена, являющаяся обобщением схемы Ван Лира на неструктурированные сетки (High Resolution). Все рассматриваемые задачи решались в стационарной постановке методом установления. Уравнения баланса массы и уравнения баланса импульса решались совместно, при этом для подавления осцилляций давления и скорости использовался метод Рай‑Чоу. Уравнения баланса энергии, а также уравнения переноса турбулентных характеристик, решались отдельно от уравнений баланса импульса и уравнений баланса массы. Для решения системы уравнений использовались алгебраические многосеточные методы. Стоит отметить, что для рассматриваемых моделей турбулентности использовались автоматические пристеночные функции.

Результаты CFD расчета

Исходная конфигурация центробежного насоса

В рамках настоящего исследования проведен расчет на исходной геометрии, в коде общего назначения ANSYS CFX. Полученные результаты представлены в виде полей и линий тока в различных частях центробежного насоса.

На рисунках представлены линии тока в проточной части полости между кожухом и улиткой, линии тока и распределение давления в двух сечениях проточной полости. Как видно из полученных результатов, вблизи входной трубы образуется отрывная зона, занимающая большую часть полости. Данный отрыв приводит к образованию вихря. Наличие такого значительного завихрения потока, в свою очередь приводит к значительным потерям в проточной части полости. Данный отрыв может быть устранен путем перепрофилирования входной части полости.

В боковых полостях в верхней части находится значительная застойная зона. Течение в ней характеризуется существенной закруткой. Данные полости являются потенциальными местами скопления грязи, а также причиной дополнительных потерь в проточной части полости. Застойные зоны могут быть устранены путем перепрофилирования этой части центробежного насоса.

Течение в проточной части улитки протекает практически в безотрывном режиме, за исключением отрыва вблизи выхода из улитки. Видно, что в верхней части располагается достаточно значительная отрывная зона, что обуславливает дополнительные потери в проточной части. Данная застойная зона может быть устранена путем перепрофилирования.

 03 линии тока центробежный насос

Линии тока в полости между кожухом и улиткой, вид сверху

04 линии тока центробежный насос

Линии тока в полости между кожухом и улиткой

05 линии тока центробежный насос

Линии тока в полости между кожухом и улиткой

06 поле давления центробежный насос

Линии тока и поле давления в полости между кожухом и улиткой в сечении x=0 м

07 поле давления центробежный насос

Линии тока и поле давления в полости между кожухом и улиткой в сечении y=0 м

08 поле давления улитка центробежный насос

Линии тока и поле давления в улитке в сечении z=0.2 м

09 поле скорости улитка центробежный насос

Поле скорости в улитке в сечении x=1.6 м

 

Модифицированная конфигурация

На рисунках представлены линии тока в проточной части полости между кожухом и улиткой, линии тока и распределение давления в двух сечениях проточной полости. Как видно из полученных результатов, вблизи входной трубы образуется отрывная зона, занимающая большую часть полости. Данный отрыв приводит к образованию вихря. Наличие такого значительного завихрения потока, в свою очередь приводит к значительным потерям в проточной части полости. Следует отметить, что данный отрыв может быть устранен путем перепрофилирования входной части полости.

В верхней части полости в модифицированной конструкции течение проходит в безотрывном режиме. Отсутствие боковых полостей приводит к значительному выпрямлению линий тока и, как следствие, к уменьшению потерь в проточной части по сравнению с оригинальной геометрией.

Течение в проточной части улитки в модифицированной конструкции протекает в полностью безотрывном режиме. По сравнению с оригинальной геометрией уровень скорости значительно выше, что является следствием уменьшения потерь в проточной части всего центробежного насоса.

 10 линии тока центробежный насос

Линии тока в полости между кожухом и улиткой, вид сверху

11 линии тока центробежный насос

Линии тока в полости между кожухом и улиткой

12 линии тока центробежный насос

Линии тока в полости между кожухом и улиткой

13 поле давления центробежный насос

Линии тока и поле давления в полости между кожухом и улиткой в сечении x=0 м

14 поле давления центробежный насос

Линии тока и поле давления в полости между кожухом и улиткой в сечении y=0 м

15 поле давления улитка центробежный насос

Линии тока и поле давления в улитке в сечении z=0,2 м

16 поле скорости улитка центробежный насос

Поле скорости в улитке в сечении x=1,6 м

Заключение

В рамках настоящего исследования проведен CFD-расчет двух конфигураций центробежного насоса. Показано, что изменение высоты насоса, а также перепрофилирование верхней части полости между кожухом и улиткой приводит к значительному уменьшению потерь в проточной части. В результате модификации уровень скорости на выходе из улитки значительно выше, чем в оригинальной геометрии (приблизительно на 1 м/с).

Также в рамках настоящего исследование обнаружены значительные отрывные зоны вблизи входной трубы, обуславливающие дополнительные потери в проточной части. Для устранения данного отрыва рекомендуется провести перепрофилирование этой части насоса.

Поделитесь в социальных сетях