Progettazione di ottimizzazione del fenomeno della gobba di una pompa centrifuga a bassa velocità specifica basata su CFD e test ortogonale

Jul 26, 2023

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 12121 (2022) Citare questo articolo

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Con l'obiettivo di eliminare il fenomeno della gobba in una pompa centrifuga a bassa velocità specifica, i suoi parametri strutturali sono stati ottimizzati utilizzando il metodo della fluidodinamica computazionale. Sulla base del modello di turbolenza \(k - \varepsilon\), è stata effettuata un'analisi stazionaria 3D del campo di flusso interno. È stata stabilita la tabella ortogonale \(L_{9} \left( {3^{4} } \right)\) e quattro parametri strutturali, tra cui il diametro di uscita della girante, la larghezza di uscita della girante, il numero di pale e l'angolo di uscita della pala , sono stati selezionati come fattori influenti. Sono stati sviluppati nove schemi di test ortogonali e i risultati sono stati analizzati attraverso il metodo dell’analisi della matrice dei pesi, ottenendo il peso dei fattori selezionati sui risultati del test. Lo schema ottimale è stato selezionato in base al peso e i risultati dell'analisi della matrice del peso hanno dimostrato che la larghezza dell'uscita della girante ha avuto un'influenza dominante sulla testa, sulla potenza dell'albero e sull'efficienza. Inoltre, il numero delle pale era il principale fattore che influenzava la potenza e l’efficienza dell’albero. Il banco prova controllo flusso pompe centrifughe è stato realizzato per effettuare la simulazione numerica e testare tutti gli indici di prototipazione e ottimizzazione della pompa. Attraverso il test delle caratteristiche esterne, si può vedere che la \(\beta_{2} Z^{0.773}\) della pompa ottimizzata è 87.889, che è inferiore del 24,89% rispetto a quella della pompa prototipo, che effettivamente ottimizza la gobba fenomeno della pompa centrifuga. I risultati sperimentali hanno dimostrato che in condizioni di lavoro sottovalutate, le prestazioni di lavoro della pompa ottimizzata sono migliorate in modo significativo. La dimensione della testa è stata ridotta del 1,424% e l'efficienza è stata aumentata del 7,896%. Ottimizzando i parametri strutturali della pompa, la perdita idraulica della scia del getto è stata ridotta e il fenomeno della gobba della curva della testa è stato effettivamente eliminato. Tutti gli indici prestazionali della pompa ottimizzata sono risultati superiori a quelli del prototipo, verificando sia l'accuratezza che l'affidabilità del test ortogonale e del metodo di analisi della matrice dei pesi. Infine, i risultati ottenuti forniscono un riferimento per la progettazione strutturale di pompe centrifughe ad alte prestazioni.

Una pompa centrifuga a bassa velocità specifica è un tipo di pompa centrifuga con una velocità specifica compresa tra 20 e 80. È caratterizzata da flusso basso, prevalenza elevata e volume basso ed è ampiamente utilizzata nella produzione e nella vita1. Utilizzando una pompa centrifuga a bassa velocità specifica, è facile produrre un fenomeno di gobba instabile in condizioni di bassa portata. Ciò, a sua volta, aumenta le vibrazioni e il rumore, riducendo così la durata della pompa e la sua affidabilità di funzionamento. Attualmente, il meccanismo del fenomeno della gobba delle pompe centrifughe a bassa velocità specifica non è chiaro e il fenomeno della gobba della curva della prevalenza non può essere eliminato dal progetto. Pertanto, oltre a studiare il meccanismo di funzionamento della pompa centrifuga, è anche necessario ottimizzare i parametri strutturali critici della pompa per migliorarne le prestazioni di funzionamento.

Da molto tempo, la riduzione e l'eliminazione del fenomeno della gobba della curva della testata della pompa centrifuga con bassa velocità specifica diventa un segmento importante della ricerca sulle pompe centrifughe. Zhang Desheng et al.2 hanno stabilito dieci schemi di progettazione e hanno eseguito simulazioni numeriche e previsioni delle prestazioni su pompe centrifughe a bassa velocità specifica. Gli autori hanno ottenuto le distribuzioni della pressione statica, delle linee di flusso, della velocità e dell'energia cinetica turbolenta nella pompa e hanno migliorato le caratteristiche del flusso interno. Zhang et al.3 hanno utilizzato il modello di turbolenza SAS per effettuare la simulazione numerica a canale intero della pompa-turbina, determinando l'effetto del meccanismo della struttura del flusso della pompa sulle caratteristiche della gobba. Zhang Peifang et al.4 hanno analizzato le prestazioni idrauliche delle pompe centrifughe a bassa velocità specifica, osservando la causa del fenomeno della gobba della curva della testa, con l'obiettivo di proporre una soluzione. Li et al.5 hanno utilizzato l'equazione di simulazione del valore costante tridimensionale per progettare le pale della pompa. Inoltre, hanno analizzato le caratteristiche del flusso della girante e hanno trovato le caratteristiche di scarico dell'energia della pompa nella modalità zona gobba. Chen et al.6 hanno sperimentato aggiungendo due partizioni nella sezione di aspirazione della pompa. I risultati sperimentali hanno dimostrato che il metodo proposto potrebbe migliorare efficacemente la curva prestazionale della pompa centrifuga IS ed eliminare la gobba della curva di prevalenza.