一种基于熵理论分析离心泵水力损失的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及流体机械内部流动损失机理相关的技术领域，尤其涉及到一种基于熵 理论分析离心栗水力损失的方法。
【背景技术】
[0002] 离心栗作为一种普通的旋转机械广泛应用于工业生产各个领域，因其耗能总量巨 大，研究其能量特性并实现节能运行具有重要意义。文献调研表明对离心栗能量特性的研 究主要从流体动力学角度分析，以试验测试及数值模拟方法为主。数值模拟在流场计算方 面技术成熟，较试验测试能提供更详细的内部流动信息并得到广泛认可。
[0003] 仅从流体动力的角度分析流体机械内水力损失发生的大小和位置不够直观，需要 引入一种分析方法来对流体机械内水力损失发生情况进行更为直观的显现。启发于熵分析 方法在流动传热设备中成功应用，本发明运用熵分析理论对流体机械内部水力损失进行分 析。
[0004] 对于离心水栗，因工作介质的粘性及雷诺应力的存在使得运行过程中机械能不可 逆的向内能转化，带来不可逆损失。从热力学第二定律的角度分析，该种能量损失是有用功 向无用功能量形式的转换，因此局部熵产方法可用于机械能损失的测量并实现栗内损失的 捕捉，熵产是状态量，对于单相不可压流动，单位质量的熵产率可给出其输运方程Spurk:
[0006] 式中:P-密度，[Kgnf3]; ^-热流密度，[Wm2]; Φ-机械能粘性耗散，[Wnf3];
[0007] φ θ一熵产项，[WKm-3] ;u，v，w-x，y，z方向速度，[ms-1II ;S-面积，[m2];
[0008] 叉，7,2-叉，7,2坐标，[111];1'一温度，[1(];
[0009]公式（1)右边最后两项代表熵产输运过程中产生的机理，作为源项出现且总是正 值;其中第一项是由于粘性耗散产生的熵产，而第二项描述的是有限温差下传热过程产生 的熵产。单位质量熵产率，也叫比熵，在此公式中是唯一未知量，仅是温度和压力的函数。而 单相不可压流动中的温度场和压力场由流动的基本方程组约束，即连续性方程、动量方程 及能量方程。因此，计算熵产所需要的基本物理量可先通过传统数值模拟方法计算得到，在 理论上将熵产作为数值模拟的后处理量来处理，即可避免熵产输运方程直接繁琐的计算而 间接得到较为准确的熵产解。
[0010]比熵既是状态量也是瞬时量，数值求解之前先通过类雷诺时均化过程对熵产输运 方程进行时均化处理。熵产可分为两项:平均量部分与脉动量部分。
[0012]
是粘性耗散而产生的时均化熵产，可分平均项与脉动项：
[0016]
是有限温差驱动传热过程而产生的时均化熵产，可分平均项与脉动 项：
[0020]时均化处理结果出现了四种熵产形式，两项平均熵产项与两项脉动熵产项，统称 为局部熵产率项。气是直接耗散熵产，Spr。,D，是湍流耗散熵产，是平均温度梯度对 熵产的贡献，Sprc^，是脉动温度梯度对熵产的贡献。其中平均熵产项可以直接求解，而脉动 熵产项却无法直接计算。Kock和Herwig研究认为脉动熵产可与端流模型存在内在联系，与 湍动能耗散率和温度梯度f有关，可得：
[0023] Spr。,D，一湍流熵产率，[Wnf3IT 1]; Spr。,。，一脉动温度熵产率，[Wnf3IT1]
[0024]根据段璐的研究由平均温度梯度与脉动温度梯度产生的熵产可归结为一项：
[0027]综述可知，局部熵产项可以通过公式(4)、（9)、（11)计算得到，这样计算域内的总 熵产率可以通过局部熵产率对计算域的体积积分得到：
[0031 ]然而，Kock研究结果表明，四种形式的熵产率均存在较强的壁面效应，且时均项较 为明显。传统数值模拟方法只能在远离壁面区域给出相对精确的解，越接近壁面的区域由 于湍流边界层和热边界层的存在导致局部速度分布和温度分布急剧变化，致使熵产率计算 出现峰值而出现偏离真实解的结果。所以壁面附近区域的熵产率计算需要给与特殊的关 注，否则将出现不可接受的错误。张翔给出了壁面附近熵产计算的公式，如（15)所示，称为 壁面熵产率，将壁面熵产率对壁面区域进行积分便可以得到壁面区域的总熵产率，因此公 式(12)中的积分区域将是不包括壁面区域的计算核心区。
[0033]式中：Δ SprciJ-壁面熵产，[WK-^
[0034]因此，整个系统计算域内的总熵产可以计算得到，如公式（16);由熵产带来的不可 逆爐损失表示为公式(17)。
【发明内容】
[0041]本发明基将熵产理论引入离心栗的水力损失计算，该方法易于操作，且熵分析结 果能很好的反映离心栗内部流场水力损失情况，为后续离心栗的结构设计能够提供好的参 考。
[0042] 一种基于熵理论分析离心栗水力损失的方法，包括如下步骤：
[0043] 步骤A)对离心栗的计算域应用三维造型软件进行造型，该计算域共分四个部分： 进口管、叶轮、蜗壳及出口管；
[0044]步骤B)将步骤A得到的计算域的造型导入ANSYS中进行网格划分:采用ANSYS中的 ICEM对计算域中进口管和出口管进行结构化网格划分;使用Meshing对计算域中叶轮和蜗 壳进行非结构化网格划分，然后对叶轮壁面的网格和蜗壳壁面的网格进行加密处理，该计 算域的网格划分数不少于2组；
[0045]步骤C)对步骤B中经网格划分的计算域进行定常不可压全流道流场粘性数值计 算；
[0046]步骤D)将步骤C数值计算的结果中的扬程和效率与离心栗设计工况下的扬程和效 率进行比较，以扬程和效率变化不明显且网格量适中为评价标准，得到最优网格数的网格 划分；
[0047]步骤E)以步骤D得到的最优网格数的网格划分为基础，通过编写程序语言把公式 16、17编到分析软件的后处理程序中，对计算域的内部流场进行熵分析处理，得到熵分析处 理后的数据；
[0054] 步骤F)将步骤E中得到的熵分析数据导入到数据处理软件中进行绘图，从而得到 相应的熵分析结果。
[0055] 进一步的，步骤A中三维造型软件为Creo或Proe。
[0056] 进一步的，采用ANSYS中的Fluent对步骤C计算域进行定常不可压全流道流场粘性 数值计算包括:对计算域选用雷诺应力湍流模型和标准壁面函数，采用MRF模型对进口管、 叶轮、蜗壳及出口管进行耦合，根据SMPLEC算法对计算域的流场的压力和速度进行耦合求 解，对计算域添加能量方程，PRESTO!格式对能量方程的压力项进行离散;迎风格式对能量 方程的对流项进行离散;二阶中心差分格式对能量方程其余各项进行离散;然后对进口管 的进口给定速度边界条件，设定湍动能与水力直径；出口管的出口采用自由出流边界条件； 固体壁面采用无滑移边界条件;进水管的出口与叶轮的进口，叶轮的出口和蜗壳的进口采 用Interface，设定数值收敛残差值;最后进行运算。
[0057] 进一步的，步骤B中，网格划分为120W，150W，177W，200W网格量。
[0058]进一步的，步骤D中，最优网格数的网格划分为177W。
[0059]进一步的，端动能与水力直径分别设定为3%与150mm。
[0060] 进一步的，其特征数值收敛残差设定为le-4。
[0061] 本发明的有益效果：
[0062] 1.本发明将熵产理论引入离心栗的水力损失计算，该方法易于操作，且熵分析结 果能很好的反映离心栗内部流场水力损失情况，为后续离心栗的结构设计能够提供参考。
[0063] 2.对网格划分数不少于两组，可以在经过数值计算后，进行网格无关性分析，选取 最优网格划分的网格数，进行后处理，最优网格数的网格划分为177W-方面符合扬程和效 率及网格量适中，另一方面，节省后处理时间，提高效率。
[0064] 3.在本发明中，通过添加能量方程，将能量方程应用到离散处理中，从而为后续熵 产方程的导入，熵产数据结果的分析提供了基础。
[0065] 4.将熵产率项的计算作为一后处理模式，避开了复杂繁琐的熵的输运方程计算， 带来了极大的简化。
【附图说明】
[0066]图1为离心栗计算域示意图。
[0067]图2为离心栗网格划分图。
[0068]图3为离心栗各计算域的损失在总损失的比例图。
[0069] 图4为离心栗各