舰船自流式循环水系统低流阻混流泵模拟优化及试验.pdf
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1、排灌机械工程学报Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering2023年10 月第41卷第10 期Oct.2023Vol.41No.10舰船自流式循环水系统低流阻混流泵模拟优化及试验艾阳1*,毛远帆,刘钰,谭鑫,苏舒!(1.中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室,四川成都6 10 2 13;2.东方电气集团东方电机有限公司,四川德阳6 18 0 0 0)艾阳摘要:为降低舰船循环水系统中混流泵的流阻系数,改进其自流特性,提高舰船“自流”循环能力,基于CFD仿真,对低流阻水力部件开展模拟优化及试验研究.首先,通过仿真分析
2、确定初步设计方案,其水力性能可满足设计要求;然后,为进一步降低水力损失和流阻系数,利用随机有限元分析方法确定了影响流阻的主要因素,并针对叶轮、导叶、蜗壳和出口管等主要部件进行优化和改进;最后,基于优化方案开展了样机生产制造及验证试验.结果表明:叶片总包角和导叶总包角是影响混流泵水力部件流阻大小的最主要因素.仿真预测结果与样机试验结果相符,优化后的混流泵内部流动光顺,压力分布、速度分布合理,没有明显的脱流、旋涡,整体流阻系数下降明显,水力性能满足设计要求.因此,提出的低流阻水力部件模拟优化方法是可行的.关键词:混流泵;低流阻;CFD仿真分析;优化设计;循环水系统中图分类号:S277.9;TH31
3、3文献标志码:A文章编号:16 7 4-8 5 30(2 0 2 3)10-0 9 9 9-0 8D0I:10.3969/j.issn.1674-8530.21.0317艾阳,毛远帆,刘钰,等.舰船自流式循环水系统低流阻混流泵模拟优化及试验 J.排灌机械工程学报,2 0 2 3,41(10)9 9 9-10 0 6.AI Yang,MAO Yuanfan,LIU Yu,et al.Simulation optimization and experiment for low flow-resistance mixed-flow pump of artesianwater circulation
4、system in marine shipJ.Journal of drainage and irrigation machinery engineering(JDIME),2023,41(10):999-1006.(inChinese)Simulation optimization and experiment for low flow-resistancemixed-flow pump of artesian water circulation system in marine shipAI Yang*,MAO Yuanfan,LIU Yu,TAN Xin,SU Shul(1.Scienc
5、e and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory,Nuclear Power Institute of China,Chengdu,Sichuan610213,China;2.Dongfang Electrical Machinery Co.,Ltd.,Deyang,Sichuan 618000,China)Abstract:In order to reduce the flow-resistance coefficient of mixed-flow pump in a marine ship watercircu
6、lating system,and improve the automatic flow characteristics as well as enhancing its artesian cir-culation function,simulation optimization and experimental study of low flow-resistance hydraulic com-ponents were carried out based on CFD simulation.Firstly,a preliminary design scheme wasdetermined
7、through the simulation analysis,which led to the achievement of the design requirementsfor its hydraulic performance.Then,in order to further reduce the hydraulic loss and the flow-resistance coefficient,the main influencing factors of flow resistance were determined by stochastic fi-nite element an
8、alysis method,and the main components such as impeller,guide vane,volute and out-let pipe were optimized and improved.Finally,based on the optimization scheme,manufacturing of theprototype and validation tests were performed.The result shows that the total wrap angle of the blades收稿日期:2 0 2 1-11-0 5
9、;修回日期:2 0 2 2-0 4-12;网络出版时间:2 0 2 3-10-0 8网络出版地址:https:/ 9 5 一),男,广西富川人,助理工程师(通信作者,),主要从事泵阀设计研究.第二作者简介:毛远帆(19 9 1),男,云南楚雄人,工程师(5 15 7 6 2 7 7 3 ),主要从事泵阀设计研究.1000排灌机械工程学报第41卷and guide vane angle are the main influencing factors for the flow-resistance of hydraulic components ofthe mixed-flow pump.The
10、 simulation prediction results are consistent with the test results of the proto-type.The optimized pump has smooth internal flow,reasonable pressure distribution and velocity distri-bution.There is no obvious shedding and vortex,the overall flow-resistance coefficient drops signifi-cantly,and the h
11、ydraulic performance meets the design requirements.Therefore,the proposed simula-tion optimization method for low flow-resistance hydraulic components is proven to be feasible.Key words:mixed-flow pump;low flow-resistance;CFD simulation analysis;optimal design;water circulation system现代舰船中自流式循环水系统被广
12、泛运用于满足主动力系统对冷却水的需求,即在一定航速工况内,循环水系统可依靠舰船运动产生的能量差使冷却水克服系统阻力实现自动循环.因此,降低循环水系统中混流泵水力部件的流动阻力可以有效降低能源消耗,提高船舶的续航能力 。目前,由于各种原因,公开文献中较少出现关于自流系统及其泵设备的设计和运行的资料 2 .孔祥花等 3、李伟等 4 通过简化计算方法研究屏蔽泵流阻特性,但需对每个阻力元件进行简化.近年来,数值仿真技术的发展为泵内流体流动状态及自流特性的研究提供了新的途径 5-8 .孟清正等 2 基于CFD技术,对目标船自流系统在不同航速下的自流流量进行数值研究,量化了航速与流量之间的对应关系.李忠等
13、 结合试验测量和数值计算对轴流式循环泵的自流特性进行研究,获得了自流转速、自流损失和损失系数随自流流量的变化规律.随后,李忠等 10 用同样的方式,对不同自流工况下轴流式循环泵的自流性能以及叶轮旋转中心截面上的压力脉动特性进行了研究.余建平等 基于不同的湍流模型,利用 CFD分析技术对设备结构进行了低流阻方向的优化.然而,当前国内外学者对于泵设备的低流阻设计研究仍然较少,缺乏一种具有较高通用性的设计优化方法.因此,文中基于CFD仿真分析和随机有限元分析,对混流泵低流阻水力部件开展模拟优化及试验研究,最终通过样机试验验证优化方法的有效性.1低流阻水力部件结构设计1.1初步方案设计基于舰船的实际工
14、程需求,为提高小流量下自动冲转和循环功能,设计目标中,特定小流量工况下(0.10 Qa,0.09Qa,0.07Qd,0.06Qa,0.04Qd,其中Qd为额定流量)流阻系数8 10,额定工况下泵效率n56%.首先,根据设计需求确定了设计对象为单吸闭式混流泵,其结构如图1所示,主要包括叶轮、导叶、蜗壳这3个部分,流体从泵体下方进口流人,依次通过叶轮流道和导叶流道后流入蜗壳,最终从出口流出.进口叶轮导叶蜗壳出口Ds图1混流泵结构图Fig.1Structure diagram of mixed-flow pump初步方案的设计参数中,比转数n=350;叶片数Z=5;导叶数Z。=7;泵进口直径D=30
15、0mm;叶轮进口直径D。=2 9 0 mm;泵出口直径D,=300mm;泵最大宽度W,=1120mm.初步设计方案的设计图如图2 所示.(a)叶轮图2 初步方案设计图Fig.2Design diagram of preliminary scheme1.2数值仿真计算1.2.1网格划分文中建模仿真采用ANSYS18.0,网格前处理采用其内置ICEM模块.为分析初步设计的水力性能(6)导叶第10 期艾阳,等舰船自流式循环水系统低流阻混流泵模拟优化及试验1001和流阻特性,CFD仿真分析以泵整体流道为主,包括进口域、叶轮域、导叶域和蜗壳域.为验证网格无关性,选取了4套不同网格数量的叶轮进行计算.计算
16、结果表明,在网格总数N达到3.8 10 时(叶轮网格数量达到1.0 10),额定工况下的扬程Ha趋于稳定,其误差小于1.8%,故最终确定了网格划分方案,此时壁面*值位于 2 0,5 0 .各部分的网格中,进口流道网格为六面体型,其数量为3.0 10;叶轮、后置导叶和蜗壳的网格均为四面体型,其数量分别为1.0 10,1.0 10 和1.5 10.1.2.2边界条件文中以进口流道的入口设置进口边界条件,并给定进口流量;以蜗壳出口设置出口边界条件,并给定出口平均压力;给定叶轮转动域的转速为设计转速;计算流阻系数时,叶轮设置为固定不动;所有的壁面条件均为水力光滑壁面条件.在本计算中为模拟流固分离,湍流
17、模型选择SST k-湍流模型,并根据值可知边界层网格达标;流体介质为常温清水.1.3初步方案仿真计算结果及分析1.3.1水力性能共对7 个流量工况(0.7 Qa,0.8Qa,0.9Qa,1.0Qd,1.1Qa,1.2 Q d,1.3Q a)进行水力性能计算.整泵内部流动情况如图3所示.由图可知,整泵内部流动光顺,压力和速度分布合理,内流道整体流速也较低.各流道内没有明显的脱流、旋涡.27.5024.7722.0419.3016.57st)13.8411.118.385.642.910.18图3整体流道仿真图Fig.3Numerical simulation result of flow cha
18、nnel效率计算公式 定义为P。m=100%,P式中:P。为输出功率,P。=p g Q H,其中,p为流体密度(清水),g为重力加速度,Q为泵的流量,H为泵的扬程;P为输人功率.通过仿真计算得到的初步设计泵扬程曲线(量纲一化)和效率曲线分别如图4,5 所示.1.61.41.21.0E0.80.60.40.20.70.80.91.01.11.21.3Q/Qd图4扬程曲线Fig.4Head curve100.0090.0080.0070.0060.0050.0040.0030.0020.000.7 0.80.91.01.11.21.3Q/Qa图5 效率曲线Fig.5Efficiencycurve由
19、计算结果可知,初步方案的水力性能可满足设计要求,其效率最高约为8 4%.1.3.2流阻特性文中整体流道流阻计算区域包括进口流道、叶轮、导叶及蜗壳,选取5 个特定小流量工况(0.10 Qd,0.09Qa,0.07Qa,0.0 6 Q a,0.0 4Q)计算水力损失和流阻系数.当叶轮固定不动时的流阻系数值最大;当叶轮旋转进人自动冲转和循环工况后,流阻系数值会下降直至稳定.因此,定义叶轮固定时的流阻系数为设计指标,即叶轮固定时可满足流阻要求,运转后亦可满足.水力损失H定义为Prin-PtoutAH=pg式中:Pin为进口流道进口总压;Ptout为蜗壳出口总压.流阻系数 12 定义为2g4H8=2式中
20、:u.为参考面流速.文中以泵的进口平均速度作为参考流速,其取(1)值为流阻计算结果如表1所示.由表1可知,在特定流量工况下,初步方案的水力损失仍过高,平均流阻系数为2 0.0 7,未达到目标范围,仍需进一步优化.(2)(3)40Vin-pumpTD(4)1002排灌机械工程学报第41卷表1初步方案流阻计算结果Tab.1Calculation results of flow-resistance ofpreliminary scheme方案Q10.10Qd20.09Qd30.07Qd40.06Qd50.04Qd2低流阻水力部件结构优化2.1流阻主要影响因素ZHU等 13、NIU 等 14 通过随
21、机有限元分析法,将不确定性因素通过抽样方法作为仿真输入,以找出影响输出目标的关键因素,并提出优化建议.基于工程设计经验,考虑现有工艺实行情况及严格的外形尺寸要求等因素,确定了材料属性表面摩擦系数f叶片数Z、叶片包角p、导叶数Z。、导叶叶片包角g导叶叶片厚度t等6 个影响因素进行分析,并将上述影响因素通过抽样方法作为输人,以实现大量随机样本的仿真计算,最终输出流阻系数,具体流程如图6 所示。开始生成材料性能、叶片数、叶片包角、导叶数、导叶叶片包角、导叶叶片厚度等影响因素的随机样本i-1采用材料性能的第组随机样本进行材料属性设置分别采用叶片数、叶片包角、导叶数、导叶叶片包角、导叶叶片厚度等第i组随
22、机样本进行结构设置网格划分边界条件设置仿真计算采集整理仿真结果数据,输出流阻系数iMYes结束图6 随机有限元分析方法流程图Fig.6 Flow chart of stochastic finite element analysismethod对流阻系数输出结果进行敏感性分析,将输入参数量纲一化和统一排序后可确定6 个影响因素的灵敏度因子由大到小依次为叶片数(30%)、导叶数参数(2 2%)、叶片包角(15%)、导叶叶片包角(15%)、摩AH/m擦系数(11%)和导叶叶片厚度(7%).可见,叶片数、0.4819.720.3620.290.2520.270.1619.860.0920.21i-i
23、1No导叶数、叶片包角、导叶叶片包角的变动对输出结果影响最大.进一步分析总结得到,叶片总包角Z(Z,=ZO)和导叶总包角Z(Zs=Z,g)是影响混流泵水力部件流阻大小的最主要因素,其与流阻系数的关系分别如图7,8 所示.70.0060.00F50.00F40.00tO30.00F20.0010.000200300400500600700800Z./)图7 叶片总包角与流阻系数关系曲线Fig.7Relationship curve between blade total wrapangle and flow-resistance coefficient45.0040.0035.0030.0025
24、.0020.0015.0010.00050100150200250300350400Zs/()图8 导叶总包角与流阻系数关系曲线Fig.8Relationship curve between guide vane totalwrap angle and flow-resistance coefficient由图7,8 可知,随着叶片总包角和导叶总包角的减小,流阻系数明显下降,因此后续进行低流阻优化设计时,将重点考虑上述参数的影响2.2优化设计以低流阻为主要优化目标,具体改进措施如下.1)叶轮优化考虑流阻因素,在兼顾泵效率的前提下,其叶片总包角尽量取较小值,优化后叶轮保留叶片数为5,优化前后叶轮
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