一种离心泵空蚀数值预测方法与流程

本发明属于与泵类机械空化相关的技术领域，尤其涉及到一种离心泵空蚀数值预测方法。

背景技术：

空化现象普遍存在于泵类旋转机械、船舶推进系统以及其他水利机械系统中；对于泵类旋转机械而言，空化现象带来的影响往往是负面的。在设计的早期阶段预报空化现象并对其负面影响进行预估变得十分必要，其中最为复杂且后果相当严重的是空化诱发的材料剥蚀现象，简称空蚀。近年来，许多科学工作者尝试借助于试验观察对空蚀区域进行预估，并对于单空泡溃灭引发剥蚀的流体动力学特性以及壁面材料响应的研究已经有所进展；尽管试验方法是最直接、可靠的研究方法，但存在设计周期长、设计成本高等问题；因此，为了解决这一问题，一种借助cfd数值计算的离心泵空蚀预测方法被提出。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明的目的是提出一种离心泵空蚀数值预测方法，该方法能够实现对离心泵空蚀区域的准确预估，在泵技术领域具有良好的实用价值和广阔的应用前景，是目前泵类旋转机械空化的前沿问题和关键技术。

本发明是通过如下技术方案得以实现的：

一种离心泵空蚀数值预测方法，包括如下步骤：步骤一：应用ansys-cfx求解离心泵内部定常空化场；步骤二：以步骤一)中求得的离心泵内部定常空化场的结果作为初始值，加入空蚀预测模型，求解离心泵内部非定常空化场；步骤三：应用cfd-post查看空蚀预测区域。

进一步的，所述步骤一)包括对离心泵计算域进行三维造型，其中包括进口流道、进口延长段、口环、前腔体、叶轮、叶轮蜗壳间隙、蜗壳和后腔体；运用icem对计算域进行网格划分：使用icem中的多块化的结构网格划分方法对计算域进行网格划分，并对计算域中的复杂流动区域进行局部加密(叶轮叶片进口、蜗壳隔舌区域)；将通过icem划分好的网格导入ansys-cfx软件求解：采用不可压雷诺时均方程、sstk-ω湍流模型和zwart空化模型；边界条件采用总压进口边界条件、质量流量出口边界条件和采用无滑移壁面函数；同时，在定常计算中交界面设置的旋转区域与静止区域的交界面选取frozenrotor模型。

更进一步的，在所述步骤一)中的软件creo中进行三维建模。

更进一步的，所述步骤一)中的定常计算中交界面设置的旋转区域为叶轮水体，静止区域为叶轮与蜗壳间隙水体。

更进一步的，将所述步骤二)中旋转区域与静止区域的交界面改为transientrotorstator模型，并通过cel语言写入空蚀预测模型。

进一步的，将所述步骤二)中定常计算中交界面设置的旋转区域为叶轮水体，静止区域为叶轮与蜗壳间隙水体。

进一步的，步骤二)中的空蚀模型基于如下假设：空蚀主要是由具有集聚特性的空泡在溃灭时释放的声冲击波而产生，能量的集聚起始于片空泡发生破裂时产生的大尺度空泡涡结构内所蕴含的势能；大尺度空泡结构所含的势能，在溃灭过程中达到时间和空间上的层叠累积，必然会对壁面产生强烈的冲击；因此，确定压力时间导数作为衡量高空蚀风险区域的基本特征参数；一旦空泡溃灭产生的冲击强度超过某一极限值时，剥蚀即有可能产生；则空蚀模型如下：

式中，其中i-叶轮一个周期内的每一个时刻，-压力时间导数；i-空蚀强度；ii-i时刻的空蚀强度；y-材料的杨氏模量大小；n表示特征参数高于叶轮材料的杨氏模量y的所有时刻的数目。

本发明的有益效果是：

(1)由于试验成本高、周期长，而应用cfd数值计算对离心泵空蚀进行预测是经济实惠且可行的。

(2)在离心泵设计的早期阶段可以对空蚀进行定性预估，保障泵的长期安全稳定运行。

附图说明

图1为本发明的空蚀数值预测流程图；

图2为叶轮叶片预测的空蚀区域结果图。

具体实施方式

为对本发明做进一步的了解，现结合附图对本发明做进一步的描述：

结合附图1，本发明的方法是通过如下工作过程得以实现的：步骤一：应用ansys-cfx求解离心泵内部定常空化场；步骤二：以定常结果作为初始值，加入空蚀预测模型，求解离心泵内部非定常空化场；步骤三：应用cfd-post查看空蚀预测区域。首先，在creo中对离心泵计算域进行三维造型，其中包括进口流道、进口延长段、口环、前腔体、叶轮、叶轮蜗壳间隙、蜗壳和后腔体。运用icem对计算域进行网格划分，使用多块化的结构网格划分方法对流场区域进行网格划分，并对复杂流动区域进行局部加密。将网格导入ansys-cfx软件求解，采用不可压雷诺时均方程，sstk-ω湍流模型和zwart空化模型，边界条件采用总压进口边界条件，质量出口边界条件，采用无滑移壁面函数；在定常计算中旋转区域为叶轮水体与静止区域为叶轮与蜗壳间隙水体的交界面选取frozenrotor模型，得到定常计算结果。在非定常计算时，旋转区域与静止区域的交界面改为transientrotorstator模型，并通过cel语言写入空蚀预测模型i，得到非定常计算结果，将非定常计算结果导入到cfd-post中查看叶轮叶片表面i分布图，即为空蚀区域。

结合附图2为球墨铸铁qt450-10叶轮叶片预测的空蚀区域结果图，球墨铸铁qt450-10杨氏模量y大小为1.73×10¹¹，结合该图可以看出透亮的圆圈区域为空蚀区域。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种离心泵空蚀数值预测方法，能够实现对离心泵空蚀区域的准确预估，在泵技术领域具有良好的实用价值和广阔的应用前景，是目前泵类旋转机械空化的前沿问题和关键技术。本发明的工作过程为：步骤一：应用ANSYS‑CFX求解离心泵内部定常空化场；步骤二：以定常结果作为初始值，加入空蚀预测模型，求解离心泵内部非定常空化场；步骤三：应用CFD‑POST查看空蚀预测区域。

技术研发人员：尹庭赟;袁寿其;裴吉;李亚林;高海司;王逸云
受保护的技术使用者：江苏大学
技术研发日：2017.04.11
技术公布日：2017.09.22