动网格模拟转子泵内部流场的计算结果

2013/12/16 10:42:07      点击:

转子泵一个脉动周期进行了积分计算,并与时间相乘,得到一个脉动周期的流量为:0.251309kg/s,再乘以6即为转子旋转一周的流量:1.507854kg/s,试验测得出口质量流率为1.510833kg/s,两者误差为1.9%,说明数值模拟结果与实验值符合很好。图1,2分别为残差图和出口流量脉动示意图,从残差图可以看出各变量残差均满足精度要求。有关图中的压力指相残差力,单位为Pa。
图1采用动网格方法的残差图
图2出口流量脉动示意图
1.网格变形
本文对计算区域采用三角形网格,整个流场的初始网格数为964922,最大网格扭曲率为0.3995035。
本文动网格的更新采用弹簧光滑模型(Spring-Based Smoothing Method)和局部网格重生成模型(LocalRemeshing Method),以与三角形网格相适应。图3,4,5分别是初始网格,100个时间步长后的网格,700个时间步长后的网格情况。可以观察到初始网格很规则;100个时间步后网格已经开始产生变化,离转子最远的地方网格没有发生变化,仍然很规则,距转子较远区域的网格由于转子的运动而被拉伸,靠近转子的网格由于拉伸超过了一定的限制而被重新分割,所以这一部分网格很不规则;700个时间步长后拉伸与重新生成的网格已经可以分辨的很清楚,被拉伸网格的网格范围在扩大,而稍微靠近转子的网格已经进行了重新的划分,生成了与初始网格相比,更不规则的网格。
从三张图可以看出随着计算的进行,网格发生了变形,网格尺寸发生了变形,因此在计算过程中需要根据最小网格尺寸随时调整cell heiIght的值。
图5  700个时间步长后的网格
本文计算了一个脉动周期(转子旋转60度),时I、日J步长为0.00001s。图5—4是残差图,从图中可看出各参数的残差已稳定,达到计算要求。
2.动网格与非运动网格计算结果比较
由于动网格对网格质量要求很高,所以采用动网格方法时,网格尺寸比较小,网格数相对就多,所以计算量大。采用动网格计算一个出口脉动周期用时约30个小时,而采用非运动网格只需要几个小时。
采用动网格仿真精度高:对仿真计算得出的出口流量与实际值进行对比,采用动网格的误差约为1.9%,采用非动网格的误差约为3%。
采用动网格可以对转子转过各角度时的流场状况进行分析,便于对流场进行动态分析。
3.基元容积与出口部分相通时的流动分析
从图6可以看出,在基元容积未与出口部分相通时,由于出口部分压力高于基元容积,所以有流体通过间隙流向基元容积,速度很大,但流量很小;从图7,8可以看出当出口部分与基元容积相通时,会有回流产生,此时由于回流通道比较窄,导致回流速度仍然很大,随着转子的转动,回流通道会增大,回流速度会相对减小,并且会出现由基元容积流向出口部分的流动。
图6基元容积与出口部分相通前的速度矢量图
图7基元容积与出口部分相通时的速度矢量图
图8基元容积与出口部分相通后的速度矢量图
4.脉动最大时的流动分析
转子转过39.14度时出口流量脉动最大。图5—9给出了速度矢量图。从图9可以看出流动方向由出口部分指向基元容积,回流冲击在与出口部分相通的基元容积内产生了涡。出口部分也有涡产生,并且有一些正在发展的涡。
图10是脉动最大时的压力等值线图,受到回流冲击的基圆容积内的压强在升高,但比出口压力低。基元容积内的压力等值线很密,说明压强变化剧烈,流场很不稳定。从图10还可以看出两转子啮合间的间隙的压差很大:靠近出口侧部分的相对压力是50000Pa,靠近进液侧部分的相对压力是1700Pa。
图9速度矢量图
图10压力等值线图
5.出口流量最大时的流动分析
当转子转过56.53度,这时达到瞬时最大流量。从图1l可以看出,此时的流动总体上是朝向出口口,与其它时刻相比,流场比较稳定,处于J下常出口状态。
出口部分左右两侧均有涡存在,这是由压差以及速度的方向变化引起的,可以明显看出出口口处的液流方向与垂直方向存在倾角,而非垂直于出口口,这是由于主要是右侧部分朝出口口压液。由此可推出,当左侧部分朝出口口压液时,倾角会发生变化。
从图12可以看出此时虽然出口流量为最大值,但是基元容积内的压强仍然稍低于出口压力,由于转子旋转使得两个转子之间的容积变小,并且右侧流体对出口部分的挤压作用大,导致出口口附近压力等值线并不是平行于出口线,而是有一定角度。两转子之间靠近出口的压强比出口压力都大,转子啮合处,两侧压差超过了进、出口升压值。
图11速度矢量图
图12压力等值线图
6.小脉动的流动分析
叶轮转角为67.23度时,产生小脉动。出口部分流动矢量图,如图13所示,有四个涡同时存在,即l、2、3、4所示位黄。在图5—13中的l、2所示的位置,两个小涡已经连在一起了。液体不是直接排出,而是与垂直方向有一个倾斜角。导致了涡的产生以及流量的不稳定,这与理论推导的不一样。正是由于涡的存在,使流体流向发生了没有规律的变化,从而导致出口流量失去稳定,在数值模拟中出现了一个明显的小脉动现象。
图13速度矢量图
7.小结
介绍了动网格理论,并实现了二维动网格仿真。仿真得到了不同时刻的流场状况,通过不同转角位置的速度矢量图、压力等值线图详细展现了理论分析所不能给出的液流脉动流动现象。


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