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基于CFD的車用水泵汽蝕性能的計算與預測

2022-09-28 00:51:20劉建衛(wèi)王洪忠
內(nèi)燃機與配件 2022年16期
關(guān)鍵詞:汽蝕葉輪水泵

0 引言

隨著社會對環(huán)保節(jié)能的重視,作為汽車動力的核心部件,發(fā)動機的環(huán)保節(jié)能技術(shù)發(fā)展備受關(guān)注

。在目前激烈的市場競爭中,發(fā)動機的輕量化及緊湊化設(shè)計尤其受到也來越多的重視,對水泵提出的要求:體積小、重量輕、成本低、工藝性好、可靠性高

【跑塘】因為你的跑塘從而促成業(yè)務成交,這與我們多次的客戶走訪離不開關(guān)系,沒有人能夠躺在家里就能把業(yè)務做好,特別是我們所從事的水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)服務人員,一線養(yǎng)殖戶的信息相對閉塞,獲取外界實時信息的能力相對來說比較有限,只有我們?nèi)サ教令^一線進行宣傳推廣,養(yǎng)殖戶才能夠更加充分地了解到公司優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品和細致的服務,進而選擇使用相關(guān)產(chǎn)品。

當前車用水泵在結(jié)構(gòu)的標準化、模塊化及先進材料和工藝的應用上取得較大的發(fā)展,葉輪采用注塑材質(zhì),泵體、蝸殼等大量應用壓鑄鋁等,在水泵更輕更緊湊的同時,帶來新的問題。由于鑄鋁材料抗汽蝕性較差,使得鑄鋁水泵相對鑄鐵水泵更容易被汽蝕破壞,輕則產(chǎn)生噪音和振動,水泵性能下降,嚴重時會導致泵體汽蝕穿孔破裂,影響發(fā)動機正常工作。

目前水泵的汽蝕余量無法通過理論計算直接求得,汽蝕試驗是確定水泵汽蝕余量的唯一可靠方法,本文將基于汽蝕發(fā)生的基本理論,探索借助CFD軟件對水泵汽蝕余量進行計算及預測的方法。

1 泵內(nèi)汽蝕現(xiàn)象及危害

水泵在運轉(zhuǎn)過程中,過流部分的局部區(qū)域,在一定溫度下,當液體內(nèi)部壓力降低至該溫度下的飽和蒸汽壓力時,液體便在該處開始汽化,產(chǎn)生蒸汽并形成氣泡,氣泡隨液體向后流動至高壓處時,氣泡周圍的高壓液體,致使氣泡急驟地縮小直至重新凝結(jié)為液體,在氣泡凝結(jié)的同時,周圍液體將以高速填充空穴,發(fā)生相互撞擊而形成水擊,這種現(xiàn)象發(fā)生在固體壁上將使過流部件受到?jīng)_擊破壞,上述產(chǎn)生氣泡和氣泡破裂使過流部件遭到破壞的過程就是泵中的汽蝕過程

部分縣級山洪災害監(jiān)測預警系統(tǒng)存在運行不穩(wěn)定情況,如個別無線廣播啟動后不能及時復位;無線廣播站設(shè)施裸露,風吹日曬容易老化,造成設(shè)備失靈;短信發(fā)送平臺經(jīng)常死機,出現(xiàn)短信發(fā)送不出的情況等。

汽蝕發(fā)生時產(chǎn)生的氣泡將改變流道內(nèi)流速的分布,使水泵的流量、揚程的降低,效率下降,同時引起振動產(chǎn)生噪聲,長時間的汽蝕會使過流表面產(chǎn)生疲勞剝落,產(chǎn)生不可逆的損壞,影響使用壽命,嚴重時導致事故發(fā)生。因此,不希望汽蝕現(xiàn)象的發(fā)生。

2 汽蝕產(chǎn)生機理及預防

2.1 汽蝕發(fā)生機理

國內(nèi)外學者對汽蝕機理進行了大量的研究,并提出了許多的觀點和理論,其中最具代表性的是Knapp的“氣核理論”

。認為液體中存在微小的汽核,汽核使液體的抗拉強度降低,當液體的壓強低于飽和蒸汽壓力時,汽核迅速膨脹形成氣泡,導致汽蝕發(fā)生。隨著技術(shù)的進步,測量儀器和測量手段的提高,進一步證實了汽核是誘發(fā)氣泡,導致汽蝕的直接原因之一。

車用水泵普遍采用離心式水泵

。一般認為,在離心泵的過流區(qū)域中,壓力最低區(qū)域位于離心泵葉輪入口偏后位置,并且葉輪入口附近壓力隨著流量的增大而逐步降低,因此該區(qū)域為離心泵最易且最先發(fā)生汽蝕區(qū)域。但統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),基于輕量化設(shè)計的車用水泵,汽蝕多發(fā)生于泵體。這是因為葉輪材質(zhì)為PPS+GF40,具有較強的抗汽蝕能力,而本體采用鑄鋁材質(zhì),抗汽蝕能力相對較弱。與此同時,葉輪形式的不同也影響汽蝕發(fā)生的位置,對于開式或半開式的葉輪,汽蝕多發(fā)生于與葉輪配合的蝸殼的錐面,見圖1上圖;對于閉式葉輪,汽蝕多發(fā)生于蝸道的隔舌位置,如圖1下圖。

根據(jù)離心泵發(fā)生汽蝕條件的理論關(guān)系

,水泵在運行過程中是否發(fā)生汽蝕,與泵本身的抗汽蝕性能與泵的使用條件和邊界兩個方面有關(guān),因此,引入泵的汽蝕余量NPSHr(又稱必需汽蝕余量)和裝置汽蝕余量NPSHa兩個參數(shù)。水泵不發(fā)生汽蝕的條件: NPSHa > NPSHr。

裝置汽蝕余量NPSHa:表示泵進口處液體具有的全部水頭減去汽化壓力的凈剩水頭,大小由吸入裝置決定,值越大泵越不容易發(fā)生汽蝕。必需汽蝕余量NPSHr:表示泵不發(fā)生汽蝕,要求在泵進口處單位重量液體具有超過汽化壓力水頭的富余量,大小由泵本身幾何參數(shù)決定,值越小泵抗汽蝕能力越強。

圖2顯示了汽蝕余量隨流量變化的趨勢,NPSHa隨流量的增加而較小,NPSHr隨流量的增加而增加。NPSHa與 NPSHr的差值越大,越不容易發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。

裝置汽蝕余量

的理論計算見公式(2)。

第3步:令Zi=P1i-P0i,計算的95%CI,若Zi>0,且大于的95%CI上限,則該患者被視作適合于A處理,用newsubgroup=1表示;若Zi<0,且小于的95%CI下限,則該患者被視作適合于B處理,用newsubgroup=2表示;其他個體被分至亞組C,用newsubgroup=3表示。

2.2 汽蝕的預防措施

2.2.1 減小必需汽蝕余量NPSHr

泵的必需汽蝕余量NPSHr的理論計算見公式(1)。

(1)

—葉片進口稍前的相對速度;

這時,同學們才小聲議論,并陸續(xù)舉報:“白虎隊”成員小王在班上扯女生頭發(fā),小曹拿別人東西不還,小黃和值日生“叫板”,小但總在放學路上欺侮同學,小胡經(jīng)常逼迫別人叫他“老大”……做錯事不可怕,可悲的是他們似乎并不知道自己錯在哪里。

式中:

—葉片進口稍前的絕對速度;

—重力加速度;

—葉片進口壓降系數(shù);該值與水泵進口處的幾何形狀(葉片數(shù)、沖角、葉片厚度及分布等)有關(guān)。

另一方面,線下渠道就更加豐富,例如可以與揚州廣陵書社合作,廣陵書社一直致力于挖掘江蘇豐厚的地方文化底蘊和學術(shù)資源,出版了大量古籍圖書,書畫收藏和反映江蘇各地風俗面貌、歷史文化的書籍。如果可以與廣陵書社合作,那么微信公眾號則會受到來自各地專家學者的關(guān)注,這不僅有利于傳播揚州文化,還有助于增強揚州文化的影響力。此外,社會發(fā)展學院和文學院的老師在外出交流訪談時也可以推廣此公眾號。

根據(jù)公式(1),減小

,可通過減小

實現(xiàn),常采取的措施有:a) 適當增大葉輪進口直徑和葉輪出口寬度;b) 加大葉輪前蓋板進口部分曲率半徑;c) 增大葉片進口寬度;d) 葉片進口邊適當向入口方向延伸等。以上措施會減小水的流速,相應地減小壓力降和水力損失,但流速過度減小會導致產(chǎn)生停滯區(qū)和反向流,造成汽蝕性能的惡化。

2.2.2增大裝置汽蝕余量

(3) 仿真分析:設(shè)置水泵轉(zhuǎn)速、流量、流體介質(zhì)參數(shù)等,將水泵的進口壓力作為變量,計算不同進口壓力下水泵的出口壓力。見圖4。

香娭毑哪一年嫁到白家灣來的似乎也沒有個準數(shù),香娭毑痛苦地回憶往事的時候,有時說是1948年,有時又說是1949年,香娭毑的老公寶剛爹在幸福地回憶往事的時候,則有時說是1949,有時又說是1948年。老倆口自己都搞坨數(shù)不清,別人就更不用說了,這也無關(guān)緊要,緊要的是,香娭毑是寶剛爹的爺娘耍了一點手腕用現(xiàn)在的話說叫做陰謀詭計騙過來的。

(2)

根據(jù)公式(2),增大

,可采取的措施如有:a) 增大

,泵的吸入口增壓;b) 減小泵的吸入高度;c) 減小泵前水力損失,如減少閥的使用、縮短管的長度、增大管的直徑等;d) 降低液體的溫度,減小飽和蒸汽壓力。概括為增壓、降高、減阻、降溫。

3 汽蝕余量與水泵的設(shè)計

汽蝕余量對于水泵的設(shè)計是一個十分重要的基本參數(shù)。基于2.1的汽蝕條件理論,為防止水泵汽蝕,水泵設(shè)計時必須根據(jù)具體的汽蝕性能要求進行設(shè)計和驗證,如果用戶給定了具體使用條件,則設(shè)計泵的汽蝕余量NPSHr必須小于按使用條件確定的裝置汽蝕余量NPSHa。

(1) 流體域提?。簩ㄋ萌~輪、蝸道、進口和出口部分的流體部分的空間區(qū)域提取出來,進出口封閉并實體化處理,建立流體域?qū)嶓w模型,見圖3。

這些汽蝕余量有如下的關(guān)系:

≤(

)

≤(

)

(3)

表1為某機型發(fā)動機水泵的開發(fā)輸入,根據(jù)輸入的水泵使用邊界,通過公式(2)、(3)可以提出水泵設(shè)計的必需汽蝕余量指標。

根據(jù)公式(2),計算水泵裝置汽蝕余量如下:

根據(jù)公式(3),安全余量系數(shù)取1

3,得泵的汽蝕余量為:

=[

]

1

3=

1

3=3

89m

通過計算,該機型水泵的

的設(shè)計指標3.9m。參考此指標進行水泵葉輪、渦道設(shè)計, 保證設(shè)計完成的水泵

≤3

89m,欲提高泵的汽蝕性能,可參考2

2

1中的理論及措施盡量減小

。

設(shè)計完成的水泵,需要進行汽蝕試驗(參JB/T8126.2)測出臨界汽蝕余量

,此時

=

,以此來判斷水泵是否滿足設(shè)計指標。要完成水泵的汽蝕試驗,必須具備滿足標準的試驗設(shè)備及臺架,并制作水泵試驗樣件、試驗工裝,然后進行臺架安裝及測試,最后進行數(shù)據(jù)處理,此過程驗證周期長,費用高。有的水泵,需要多輪的設(shè)計改進才能滿足汽蝕余量性能指標,按此試驗方法驗證水泵汽蝕性能嚴重制約水泵的開發(fā)進度和開發(fā)成本。

4 臨界汽蝕余量的仿真計算

隨著汽蝕理論研究的深入及流體仿真軟件功能的完善,借助計算流體力學(CFD)仿真軟件進行水泵汽蝕余量的計算與模擬成為可能

。本文中使用的CFD軟件為PumpLinx,為一款針對泵閥類仿真的專業(yè)軟件,集成先進的全空化模型,可以精確模擬包含空化在內(nèi)的流動問題。

話音剛落,市旅游發(fā)展委主任呂玲回答說:“我市旅游資源最大的特點是山水生態(tài)資源豐富,現(xiàn)有20家國家A級景區(qū)都在山間與鄉(xiāng)村。一直以來,我們都是通過大力發(fā)展鄉(xiāng)村旅游帶動全域旅游。下一步,我們將以建設(shè)‘國內(nèi)高端鄉(xiāng)村旅游目的地’為目標,進一步整合資源,打造精品,在實施‘三化’上下功夫,不斷推動鄉(xiāng)村旅游提質(zhì)升級?!?/p>

將設(shè)計完成的水泵三維模型,進行如下基本步驟操作:

目前通過汽蝕試驗來驗證NPSHr是唯一可靠的方法,試驗方法見JB/T8126.2

。通過試驗繪制揚程與汽蝕余量的曲線,揚程下降3%時的裝置汽蝕余量即為臨界汽蝕余量NPSHc。通過汽蝕試驗,一方面可以驗證設(shè)計的泵是否滿足設(shè)計要求的NPSHr值(基于客戶具體使用條件計算);另一方面,對于已有的泵,考慮一個安全余量,得到許用汽蝕余量[NPSH](一般取(1.1-1.5)NPSHc),可以作為用戶確定使用邊界或幾何安裝高度的參考和依據(jù)。

(2) 仿真前處理:將處流體域模型導入到仿真軟件中,對模型進行邊界切分定義、網(wǎng)格劃分、創(chuàng)建交互、模型調(diào)用及邊界設(shè)置等。

根據(jù)教育部辦公廳《關(guān)于開展全國農(nóng)村學校藝術(shù)教育實驗工作的通知》(教體藝廳[2000]1號)精神,湛江市霞山區(qū)于2013年被教育部確定為“全國農(nóng)村學校藝術(shù)教育實驗區(qū)”,并于2016年底順利通過省級驗收。

繼續(xù)以第3章中提及的某機型發(fā)動機水泵設(shè)計為例,如圖3所示。在CFD仿真軟件中模擬汽蝕試驗的過程,水泵轉(zhuǎn)速3500rpm,流量為420L/min,介質(zhì)為80℃的清水,水泵的進口壓力由120KPa開始逐次降低,每個進口壓力下,水泵運行至出口壓力穩(wěn)定為止。圖5為不同進口壓力下,水泵進出口總壓的結(jié)果曲線圖。

對仿真完成的數(shù)據(jù)導出進行分析,見表2。并基于CFD數(shù)據(jù)計算生成水泵的汽蝕余量特性曲線圖,見圖6。

在紅磷及其三鹵化物或氯化亞砜的催化下,脂肪酸的a-H可被氯、溴取代生成a-鹵代酸,此反應被稱為Hell-Volhard-Zelin-Sky反應,反應機理如下:

根據(jù)汽蝕試驗方法,找到揚程下降3%對應的裝置汽蝕余量NPSHa,即為水泵臨界汽蝕余量值NPSHc,從而間接地確認了對應流量下水泵的汽蝕余量NPSHr。從表2可以看出,該水泵在流量為420L/min時的臨界汽蝕余量為2.9m,滿足第3章中提出的汽蝕性能指標3.89m的要求。

5 汽蝕試驗驗證

為了驗證基于CFD仿真計算的泵汽蝕余量的準確性,按仿真水泵的模型制作水泵樣件進行了的汽蝕試驗。試驗臺架見圖7。

汽蝕試驗的結(jié)果見圖8。從試驗結(jié)果看,該水泵樣件的汽蝕余量為3.13m,滿足3.89m設(shè)計要求。

對比CFD仿真計算結(jié)果和汽蝕試驗結(jié)果,以試驗結(jié)果基準,仿真結(jié)果的誤差為-7.3%,根據(jù)公式(2)分析,造成差異的原因為吸入裝置水力損失 h

,汽蝕余量的計算時該項忽略,而實際的汽蝕試驗中含有該項損失,因為試驗過程中存在管道的沿程損失及管接頭、彎管引起的局部壓力損失。

到20周,寶寶體重增加到300克,從16周的120克到20周的300克,這4周時間里寶寶增重180克,平均每周才45克。孕婦到20周應該可以增重4千克。如果孕媽媽想要控制體重,這時增重3千克即可,因為在20周前增重的4千克里有2千克是非必需增重的間質(zhì),相對而言可以減少一點,所以增重3千克也可以。

6 結(jié)論及展望

1、水泵的汽蝕余量是水泵設(shè)計的重要參數(shù)之一,目前通過汽蝕試驗來驗證NPSHr是唯一可靠的方法。本文通過CFD仿真軟件模擬汽蝕試驗過程的方法來獲取水泵NPSHc,在水泵設(shè)計階段即可其汽蝕性能進行評估,無需制作樣件進行試驗驗證,可大大縮短研發(fā)周期及降低研發(fā)成本。

2、通過仿真結(jié)果跟試驗結(jié)果進行對比,誤差可控制在10%以內(nèi),考慮到汽蝕試驗本身亦存在一定誤差,認為通過CFD仿真計算汽蝕余量的方法有效。

目前,在計算機、手機等設(shè)備日益普及的情況下,移動學習也加快了發(fā)展的腳步,以其高效性與便捷性的特點,基本滿足當代大學生的學習需求。但許多學生使用移動設(shè)備并不用來學習,他們甚至不知道什么叫移動學習。通過調(diào)查研究,發(fā)現(xiàn)存在這樣的現(xiàn)象:1)百分之三十的學生沒有聽說過移動學習這一名詞,他們主要注重的是移動設(shè)備的娛樂性,如:打游戲、聊天等性能。2)百分之七十的學生對移動學習感興趣,但由于不了解與不普及,所以不會使用移動學習或由于家庭條件與學習環(huán)境所限,并沒有能力使用移動設(shè)備進行移動學習[2]。

3、基于目前的研究結(jié)果,可以在仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上,增加吸入裝置水力損失 h

的參數(shù)修正,來進一步提升仿真結(jié)果的準確性。

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