采用重新设计的叶轮的泵的计算域和网格,其中包括双吸室、叶轮(型号#4)、双蜗壳以及入口和出口位置的延长管。
入口和出口延长管采用六面体结构单元进行网格划分,而双吸室、蜗壳和叶轮则使用非结构四面体单元进行网格划分。
在数值模拟中,选择SIMPLEC算法来处理压力-速度耦合,而动量、湍流动能和湍流耗散率项则采用二阶迎风格式。
计算过程中,将连续性和动量方程的残差、湍流动能(k)和耗散率(ε)设定为低于10^-5,为模拟叶轮的旋转运动,采用多参考系法(MRF,冻结转子法),将参考系运动施加在叶轮上,其余部分设置为静止区域,通过接口实现区域之间的数据传输。
稳态计算时,考虑速度入口和压力出口作为入口和出口的边界条件,非定常模拟采用滑动网格方案,时间步长为5.5928×10^-5秒,相当于叶轮旋转1°,通过对模型#4在设计流量下的网格独立验证,证实了计算结果的可靠性,包括稳态和非稳态仿真验证,如水头系数、水力效率和压力脉动幅度等。
02性能实验验证
对于每个几何模型,不同流量下的性能是通过稳定 CFD 模拟获得的,其中流量与设计流量的比例为 50、60、80、100、120 和 140。
为了验证数值模拟结果,进行了与CFD值进行比较的实验,泵试验台示意图,辅助泵用于将地下水箱中的水输送至试验泵,形成完整的水循环。
测试的泵由变频交流电机驱动,电机之间有一个扭矩传感器来测量转速和轴扭矩,进口和出口压力传感器分别放置在进口和出口管道上,以获得进口和出口压力值。
在排出管上安装电磁流量计来测量流量,通过位于排出管上的调节阀进行调节,设计流量条件下的参数可以由测量参数通过类似的转换计算出来。
模拟结果 (0.5Qd-1.2Qd) 与模型 #4 的实验数据的比较,模型 #4 中设计流量下的水头系数为 0.145。
实验数据比CFD结果大,但差异均在10%以内,较高的实验扬程可能是由于电机在运行过程中波动较小所致。
此外小流量时的偏差可能是由于流动条件趋于恶化以及二次流、涡流和流动分离等因素引起的,这里CFD模拟不能完全还原真实的流场,效率比较发现合理的一致性,差异小于 5%,综上所述,数值模拟与实验数据吻合较好,CFD结果可用于进一步研究。