本發(fā)明涉及液環(huán)泵技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種液環(huán)泵非穩(wěn)態(tài)氣體流場及吸入壓縮性能的簡化計算方法。

背景技術(shù)：

液環(huán)泵具有近似等溫壓縮、可輸送易燃易爆氣體、結(jié)構(gòu)簡單、使用維修方便等特點，廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力、輕工等部門，是真空成套設(shè)備的基礎(chǔ)產(chǎn)品之一。圖1是液環(huán)泵的工作原理圖，它包括吸氣口、葉輪、蝸殼、入水口和排氣口五個主要部件。液環(huán)泵運行時，進(jìn)入葉輪內(nèi)的液體由于離心力作用被甩向泵體邊壁形成一個封閉圓環(huán)。隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)，當(dāng)葉片與液環(huán)所分割的腔體由小變大時，氣體從吸氣口吸入泵內(nèi)。當(dāng)分割的腔體由大變小時，氣體被壓縮并由排氣口排出泵外。液環(huán)泵內(nèi)部的流動是具有自由分界面的復(fù)雜氣液兩相流動，有較大的水力損失，導(dǎo)致效率降低。

隨著液環(huán)泵應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，如何優(yōu)化設(shè)計提升其工作效率已成為國內(nèi)外研究的熱點和前沿課題之一，研究內(nèi)容主要集中在外特性規(guī)律和流場數(shù)值計算方面。液環(huán)泵內(nèi)部復(fù)雜的氣液兩相流是影響其工作效率的關(guān)鍵因素，該氣液兩相流的特征是分界面大小形狀未知且兩相流動隨時間發(fā)生變化，遠(yuǎn)比一般葉片泵的流動復(fù)雜得多，屬于非穩(wěn)態(tài)的氣液兩相流動。目前大多數(shù)研究者們均采取氣液兩相流(vof)的計算方法，對液環(huán)泵進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)的流動性能分析。該計算方法計算量大、耗時長、計算過程易出錯，對于100萬的計算網(wǎng)格使用常規(guī)的電腦工作站一般需要近百個小時的計算時間才能得到相對穩(wěn)定的氣液兩相流場，而且受現(xiàn)有氣液兩相流動理論模型的限制，計算所得到流場及氣體吸入壓縮性能與實際相差較大(氣體吸入量有時相差了一個數(shù)量級)，未能準(zhǔn)確有效地反映泵內(nèi)氣液兩相流動規(guī)律和吸入壓縮性能。為使工程技術(shù)人員能通過調(diào)整各種設(shè)計參數(shù)(泵體和葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)等)和操作參數(shù)(吸入真空度、轉(zhuǎn)速、管路參數(shù)、閥門開度等)，達(dá)到優(yōu)化液環(huán)泵設(shè)計提高工作效率的目的，迫切需要一種簡化實用快捷的液環(huán)泵氣體流場和吸入壓縮性能的計算方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，提供一種液環(huán)泵非穩(wěn)態(tài)氣體流場及吸入壓縮性能的簡化計算方法，與常規(guī)的氣液兩相流計算方法相比，能夠改善計算精度、提高計算效率。

本發(fā)明的目的通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種液環(huán)泵非穩(wěn)態(tài)氣體流場及吸入壓縮性能的簡化計算方法，包括以下步驟：

s1、將液環(huán)泵中吸氣口、葉輪、蝸殼、進(jìn)水口及排氣口定義為計算域，其中葉輪為計算域中的旋轉(zhuǎn)域，構(gòu)造計算域的三維實體，生成計算域的三維實體文件；

s2、讀取三維實體文件，對計算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到三維初始網(wǎng)格，形成網(wǎng)格文件；

s3、讀取網(wǎng)格文件，進(jìn)行相關(guān)參數(shù)和條件設(shè)置，運用非穩(wěn)態(tài)多相流歐拉方法進(jìn)行模擬計算，得到相對穩(wěn)定后液環(huán)泵的氣液兩相流場和相分布場；

s4、對液環(huán)泵內(nèi)的氣液兩相流分布進(jìn)行圖像處理得到氣液兩相交界輪廓面形狀和大??；

s5、根據(jù)氣液兩相交界輪廓面形狀和大小，單獨構(gòu)造氣體計算域的三維實體，生成該液環(huán)泵的三維氣體計算域文件；

s6、讀取三維氣體計算域文件并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，進(jìn)行相關(guān)參數(shù)和條件設(shè)置，模擬計算液環(huán)內(nèi)的瞬態(tài)氣體吸入壓縮過程，進(jìn)行液環(huán)泵氣體流場和吸入壓縮性能的非穩(wěn)態(tài)計算。

優(yōu)選的，步驟s2中使用網(wǎng)格劃分軟件讀取三維實體文件，對計算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分；步驟s3通過計算流動軟件完成。

優(yōu)選的，步驟s4采用ansys-cfx軟件的post模塊對液環(huán)泵內(nèi)的氣液兩相流分布進(jìn)行圖像處理得到氣液兩相交界輪廓面形狀和大小。

優(yōu)選的，通過改變液環(huán)偏心位置、大小、蝸殼軸向尺寸、葉片數(shù)以及葉片角度之中的一個或者若干個參數(shù)，生成不同的三維氣體計算域文件，探究不同的模型。

優(yōu)選的，步驟s1和/或步驟s5中使用cad軟件構(gòu)造計算域的三維實體。

優(yōu)選的，步驟s3和/或s6中的數(shù)值收斂的判斷方法有兩種：一種是以殘差值的變化判斷；一種是編寫程序監(jiān)測性能參數(shù)是否達(dá)到穩(wěn)定諧波規(guī)律判斷。

優(yōu)選的，步驟s3和步驟s6中相關(guān)參數(shù)和條件包括氣液兩相物性參數(shù)、操作參數(shù)、邊界條件和初始條件。

進(jìn)一步的，物性參數(shù)、操作參數(shù)、邊界條件和初始條件設(shè)置包括：氣液兩相的密度、粘度、熱傳導(dǎo)系數(shù)、阻力系數(shù)及葉輪的轉(zhuǎn)速等；設(shè)置計算域氣體入口為壓力邊界條件，液體入口為質(zhì)量流量邊界條件；設(shè)置計算域出口為壓力邊界條件；非穩(wěn)態(tài)湍流計算采用rngk-ε湍流模型，非穩(wěn)態(tài)氣液兩相流動計算的初始條件按等半徑的氣相分布設(shè)置。

優(yōu)選的，步驟s6中運用計算流動軟件pumplinx中的轉(zhuǎn)子泵模塊讀取三維氣體計算域文件并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

優(yōu)選的，步驟s6之后還可以包括步驟s7計算后處理；計算后處理包括，顯示液環(huán)泵氣體非穩(wěn)態(tài)流場計算結(jié)果，得到液環(huán)泵相關(guān)參數(shù)對液環(huán)泵氣體流場及性能的影響規(guī)律，預(yù)測液環(huán)泵吸氣量和吸入壓力的關(guān)系曲線，預(yù)測液環(huán)泵功率和吸入壓力的關(guān)系曲線。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點和有益效果：

本發(fā)明方法采取了氣相單獨計算為主、氣液兩相流計算為輔的計算策略，運用pumplinx軟件葉片泵動網(wǎng)格模塊，計算得到各種設(shè)計參數(shù)和操作條件下液環(huán)泵的氣體流場和吸入壓縮性能曲線，解決了現(xiàn)有技術(shù)計算量大、耗時長、計算易出錯、氣體吸入壓縮性能與實際相差較大的問題，為優(yōu)化液環(huán)泵設(shè)計及操作性能提供了一種創(chuàng)新的算法。

附圖說明

圖1是液環(huán)泵的工作原理圖；

圖2是實施例方法的流程圖；

圖3是液環(huán)泵的計算域三維實體圖；

圖4是ansys-cfx計算得到氣液兩相分布圖；

圖5是氣體計算域模型圖；

圖6是計算得到的液環(huán)泵吸入氣量-吸入壓力曲線；

圖7是計算得到的液環(huán)泵軸功率-吸入壓力曲線。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。

非穩(wěn)態(tài)氣體流場及吸入壓縮性能的簡化計算方法，應(yīng)用于液環(huán)泵，方法流程見圖2，包括如下步驟：

第一步，將液環(huán)泵中吸氣口、葉輪、蝸殼、進(jìn)水口及排氣口定義為計算域，其中葉輪為計算域中的旋轉(zhuǎn)域，使用cad軟件(如pro/e軟件)構(gòu)造計算域的三維實體，生成三維實體文件，并使用網(wǎng)格劃分軟件(如icem軟件)讀取三維實體文件，對計算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到三維初始網(wǎng)格，形成網(wǎng)格文件。

第二步，運用計算流動軟件(如ansys-cfx)讀取網(wǎng)格文件，進(jìn)行氣液兩相物性參數(shù)、操作參數(shù)、邊界條件和初始條件等設(shè)置，運用非穩(wěn)態(tài)多相流歐拉方法模擬計算，得到相對穩(wěn)定后液環(huán)泵的氣液兩相流場和相分布場，在后處理中采用ansys-cfx軟件的post模塊對液環(huán)泵內(nèi)的氣液兩相流分布進(jìn)行圖像處理得到氣液兩相交界輪廓面形狀和大小。

上述物性參數(shù)、操作參數(shù)、邊界條件和初始條件等設(shè)置包括：氣液兩相的密度、粘度、熱傳導(dǎo)系數(shù)、阻力系數(shù)及葉輪的轉(zhuǎn)速等；設(shè)置計算域氣體入口為壓力邊界條件，液體入口為質(zhì)量流量邊界條件；設(shè)置計算域出口為壓力邊界條件；非穩(wěn)態(tài)湍流計算采用rngk-ε湍流模型，非穩(wěn)態(tài)氣液兩相流動計算的初始條件按等半徑的氣相分布設(shè)置。

第三步，根據(jù)計算得到的氣液兩相交界輪廓面形狀和大小，使用cad軟件單獨構(gòu)造氣體計算域的三維模型，生成該液環(huán)泵的三維氣體計算域文件；并通過改變液環(huán)偏心位置、大小、蝸殼軸向尺寸、葉片數(shù)、葉片角度等參數(shù)探究多個模型，改變以上這些參數(shù)生成不同的三維氣體計算域文件。

第四步，運用計算流動軟件pumplinx中的轉(zhuǎn)子泵(vane)模塊讀取三維氣體計算域文件并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。進(jìn)行氣體物性參數(shù)、操作參數(shù)、邊界條件和初始條件等設(shè)置，模擬計算液環(huán)內(nèi)的瞬態(tài)氣體吸入壓縮過程，進(jìn)行液環(huán)泵氣體流場和吸入壓縮性能的非穩(wěn)態(tài)計算。

第二步和第四步中的數(shù)值收斂的判斷方法有兩種：(一)以殘差值的變化判斷；(二)編寫程序監(jiān)測性能參數(shù)是否達(dá)到穩(wěn)定諧波規(guī)律判斷。

在第四步之后還可以包括第五步，計算后處理。計算后處理包括，顯示液環(huán)泵氣體非穩(wěn)態(tài)流場計算結(jié)果，得到液環(huán)泵設(shè)計參數(shù)、操作參數(shù)等對液環(huán)泵氣體流場及性能的影響規(guī)律，預(yù)測液環(huán)泵吸氣量和吸入壓力的關(guān)系曲線，預(yù)測液環(huán)泵功率和吸入壓力的關(guān)系曲線。

本實施例中的液環(huán)泵非穩(wěn)態(tài)氣體流場及吸入壓縮性能的計算方法，采取氣相單獨計算為主、氣液兩相流計算為輔的計算策略，計算得到各種設(shè)計和操作條件下的液環(huán)泵性能曲線，與常規(guī)的氣液兩相流計算方法相比，計算精度得到了很大改善，計算效率也提高了近100倍。為研究液環(huán)泵設(shè)計參數(shù)和操作參數(shù)對性能的影響規(guī)律提供了一種創(chuàng)新的、簡化實用快捷的算法。本方法利用現(xiàn)有的計算條件達(dá)到復(fù)雜計算的目的，可快速研究不同設(shè)計參數(shù)及操作參數(shù)對液環(huán)泵性能的影響規(guī)律，對液環(huán)泵的優(yōu)化設(shè)計與操作具有重要的科學(xué)研究價值和工程應(yīng)用價值。

具體的，選取一臺單級、雙作用，徑向吸、排氣的常規(guī)液環(huán)真空泵作為研究對象，液環(huán)泵設(shè)計工況參數(shù)為：轉(zhuǎn)速n＝372～660r/min，入口氣量q＝22～78m³/min，入口壓力p入＝40～1013hpa(絕對壓力)，出口壓力p出＝1013hpa(絕對壓力)。工作介質(zhì)氣相為空氣，液相為水。葉輪的葉片數(shù)z＝18。應(yīng)用pro/e建立液環(huán)泵的計算域(如圖3)，使用icem進(jìn)行計算域的網(wǎng)格劃分得到計算網(wǎng)格單元。整個液環(huán)泵流體計算域單元總數(shù)為2468659個。

使用ansys-cfx流動軟件進(jìn)行氣液兩相流場計算，根據(jù)泵轉(zhuǎn)速和葉片數(shù)設(shè)置時間步長為10^-4s。通過計算得到了如圖4所示的氣液兩相分布，由于氣液兩相巨大的密度差和體積流量比，各工況下的氣液兩相分布十分相似。應(yīng)用pro/e軟件以氣液兩相交界為輪廓面對氣體計算域單獨建模。圖5給出了該液環(huán)泵的氣體計算域模型。

使用pumplinx軟件的網(wǎng)格生成模塊，對圖5所示的氣體計算域模型進(jìn)行計算網(wǎng)格劃分，得到氣體計算域的網(wǎng)格單元總數(shù)為807262個。進(jìn)行氣體物性參數(shù)、操作參數(shù)、邊界條件和初始條件等設(shè)置，模擬計算液環(huán)內(nèi)的瞬態(tài)氣體吸入壓縮過程，進(jìn)行液環(huán)泵氣體流場和吸入壓縮性能的非穩(wěn)態(tài)計算。計算得到液環(huán)泵氣體非穩(wěn)態(tài)流場壓力場溫度場分布，預(yù)測液環(huán)泵吸入氣量和吸入壓力的關(guān)系曲線(如圖6)，預(yù)測液環(huán)泵軸功率和吸入壓力的關(guān)系曲線(如圖7)，得到液環(huán)泵設(shè)計參數(shù)、操作參數(shù)等對液環(huán)泵氣體流場及性能的影響規(guī)律。

為驗證本實施例方法的有效性和實用性，將計算所得的性能曲線與實測的性能結(jié)果進(jìn)行了對比。液環(huán)泵的性能測試在廣東省佛山水泵廠有限公司的水泵測試站完成。該測試站采用多功能參數(shù)測量儀的自動測試系統(tǒng)，整套系統(tǒng)達(dá)到國家b級精度水平。對比結(jié)果表明，采用本方法計算所得的性能曲線與實測結(jié)果誤差在工程容許范圍內(nèi)，與常規(guī)的氣液兩相流計算方法相比，計算精度得到了很大的改善。

上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。