佛山水泵厂丨水泵流场外特性计算方法及预测

 流场的计算结果可以分为两种：一种是水泵流场内部的流动情况，如压力分布、速度分布、二次流的产生位置等；另一种是受流场作用的机械部件表现出的外在的转速、扭矩等外特性数据结果。佛山水泵厂工程实际应用关心的多是第一种结果。流场研究者讨论的多侧重于第一种结果，要想获得机械部件的外特性参数还需要对流场数据进行处理，不过在FLUENT中这种结果的获取比较方便，可以直接查询某一曲面相对于中心轴所承受的扭矩。目前能够进行实验验证的是第二种结果。叶轮工作腔各部分构件内部流场的速度及压力场是应用计算流体动力学软件分别测算仿真出来的，进行调速装置的特性预测通过仿真实验，液力偶合器重要的性能参数，比如转矩系数、过载系数、效率与速比之间的关系等这些都可以得到。流场中出现的二次流现象、回流、脱流等各因素对液力偶合器性能的影响是该方法的优点，并且对实际的性能准确度与实用性的预测也是他的一个优点。求取流体作用在各叶轮上的转矩特性是预测的关键。计算流体作用在叶轮上的转矩可以采用两种方法，都是根据流场数值模拟的结果。利用Fluent软件直接得到叶片压力面和吸力面转矩。图1为转矩作用示意图。

大型齿轮调速装置的特性参数中的泵轮转矩系数是调速装置的重要技术指标，还包括转矩、转速比、转差率等参数。泵轮转矩系数用γ表示，γ值高说明偶合器的能容高，γ是评价液力偶合器能容大小的参数，能够反映出调速装置所能传递的功率大、性能好、腔型好，其值可以由测定或计算的转矩经理论计算得出。由相似理论可知，液力偶合器所能传递的转矩值与液体密度的一次方，肯富来离心泵的泵轮转速的二次方以及工作腔有效直径的五次方是成正比的。

泵轮转矩系数与转速比关系的曲线是调速装置的原始特性及其特性曲线。首先测得外特性曲线，再经过逐点计算绘制而成。几何形状相似的同系列液力偶合器，在工况相似的条件下，不论规格大小，他的原始特性曲线是大体相同的。过原始特性曲线了解液力偶合器的传递转矩、过载系数、起动转矩、制动转矩等等。还可用于对不同系列、不同腔型的液力偶合器进行比较分析

根据佛山水泵厂的分析，按照第二种方案对7334kW齿轮调速装置转矩进行预测，算出叶片压力面和吸力面的转矩差值并乘以叶片数，得到工作腔体传递扭矩，进一步按公式计算出力矩系数，工作腔不同充液情况下预测结果如图2所示。从图中可以看出，该性能曲线比较平滑，说明流场计算结果比较稳定。近满充液状态下，在高速段小滑差时曲线比较陡峭，符合理想特性曲线，初步验证了数值结果的正确性。

1、基于流体动力学基本控制方程，工作腔流道流动仿真拟选用标准k-：模型来模拟湍流状态，湍流模型设置考虑迎风格式的特点是肯富来离心泵内流动造成的控制体积界面上的值，等于上游单元节点的沪值，离散格式的计算稳定性是属于绝对稳定，故选取二阶上游迎风格式进行空间离散计算。

2、于雨值函数将控制方程离散为代数方程组并不能直接求解，必须对未知量的求解顺序和求解方式进行特殊处理才能求解代数方程组。考虑PISO适合于瞬态问题求解，SIMPLER和SIMPLEC适合稳态问题求解。近满充液稳态流场(q=100)采用SIMPLEC算法，部分充液流场(q=40%，q=80%等)时工作腔内为空气和工作液的混合体，为气一液两相流动，考虑气液分界面追踪算法，需要多相流模型分析模型采用PISO算法求解。

3、对大功率7334kW齿轮调速装置工作腔三维内流场进行数值计算，装置循环圆有效直径510mm。模型忽略泵轮进油孔道和涡轮边缘的排油孔道，选取相邻三个叶片间的流体块作为研究对象。将在SolidWorks中建立的几何模刑导入1CEM对流体模型进行网格划分，选用四面体网格，生成计算用的流道网格模型。

4、将网格文件导入流场计算软件FLUENT计算，得到调速装置在不同工况不同充液率时，肯富来离心泵叶轮流道流场速度与压力分布变化情况。首先掌握了调速装置泵轮和涡轮的流场流动特性，再对这些流动特性的形成原因进行了深入的分析，得出充液率不同，液力偶合器传递能量的能力不同，充液率与传递能力成正比；充液率对压力分布起了很大的作用，充液率与压力差成正比；充液率不同时，泵轮与涡轮的速度分布比较平稳，没有不规则流动的出现。计算与分析结果反映出的工作腔流场特性与传统认识相符合。

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