МОДЕЛИРОВАНИЕ КОЛЕСА ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА С МАКСИМАЛЬНЫМ ЭФФЕКТОМ КАВИТАЦИИ

Предмет исследования. Рассмотрена возможность стимулирования явления кавитации в лопастных машинах с целью обработки перекачиваемой жидкости. Представлен численный анализ влияния геометрии двигательного центробежного насоса на образование кавитационной каверны в межлопастном пространстве его рабочего колеса. Методы. Использованы возможности программного пакета конечно-элементного анализа ANSYS Workbench и интегрированного в него модуля оптимизации процесса разработки и технологической подготовки в области вычислительной динамики жидкостей и газов ANSYS CFX. Основные результаты. Разработана конструкция рабочего колеса двигательного центробежного насоса с характеристиками, подобными данному типу устройств. Построена геометрическая модель, которая имеет компактные размеры, обладает правильным распределением давления в сечении колеса, не подвержена кавитации при заданном режиме работы. Показано, что при относительном увеличении наружного радиуса колеса или уменьшении его ширины в пределах 12–50% в сравнении с моделью, близкой к необходимой для стабильной работы, происходит зарождение кавитации на переднем крае лопатки с последующим ростом по всему объему проточной части насоса. Практическая значимость. Подобного рода насос может использоваться как гидродинамическая машина для интенсификации многих химико-технологических процессов за счет кавитационного воздействия уже на этапе перекачивания жидкости.

1. Родионов В.П. Струйная суперкавитационная эрозия. Краснодар: КубГТУ, 2005. 223 с.
2. Haworth K.J., Raymond J.L., Radhakrishnan K. et al. Trans-stent B-mode ultrasound and passive cavitation imaging // Ultrasound in Medicine and Bbiology. 2016. V. 42. N 2. P. 518–527. doi: 10.1016/j.ultrasmedbio.2015.08.014
3. Zarnitsyn V., Rostad C.A., Prausnitz M.R. Modeling transmembrane transport through cell membrane wounds created by acoustic cavitation // Biophysical Journal. 2008. V. 95. N 9. P. 4124–4138. doi: 10.1529/biophysj.108.131664
4. Sinden D. Modelling cavitation in liver tissue under high-intensity focused ultrasound // British Applied Mathematics Colloquium. Birmingham. 2011.
5. Промтов М.А. Перспективы применения кавитационных технологий для интенсификации химико-технологических процессов // Вестник ТГТУ. 2008. Т. 14. № 4. С. 861–869.
6. Sheng H.-Z., Zhang Z.-P., Wu C.-K. Study of atomization and micro-explosion of water-in-diesel fuel emulsion droplets in spray within a high temperature, high pressure bomb // International Symposium COMODIA. 1990. P. 275–280.
7. Seifi M.R., Hassan-Beygi S.R., Ghobadian B., Desideri U., Antonelli M. Experimental investigation of a diesel engine power, torque and noise emission using water-diesel emulsions // Fuel. 2016. V. 166. N 15. P. 392–399. doi: 10.1016/j.fuel.2015.10.122
8. Fahd M.E.A., Wenming Y., Lee P.S., Chou S.K., Yap C.R. Experimental investigation of the performance and emission characteristics of direct injection diesel engine by water emulsion diesel under varying engine load condition // Applied Energy. 2013. V. 102. P. 1042–1049. doi: 10.1016/j.apenergy.2012.06.041
9. Spiridonov E.K. Characteristics and calculation of cavitation mixers // Procedia Engineering. 2015. V. 129. P. 446–450. doi: 10.1016/j.proeng.2015.12.148
10. Кулагин В.А. Грищенко Е.П. Гидрогазодинамика: учеб. пособие. Красноярск: ИПК СФУ, 2009. 278 с.
11. Cehovin M., Medic A., Scheideler J. et al. Hydrodynamic cavitation in combination with the ozone, hydrogen peroxide and the UV-based advanced oxidation processes for the removal of natural organic matter from drinking water // Ultrasonics Sonochemistry. 2017. V. 37. P. 394–404. doi: 10.1016/j.ultsonch.2017.01.036
12. Mishra K.P., Gogate P.R. Intensification of degradation of Rhodamine B using hydrodynamic cavitation in the presence of additives // Separation and Purification Technology. 2010. V. 75. N 3. P. 385–391. doi: 10.1016/j.seppur.2010.09.008
13. Sarc A., Stepisnik-Perdih T., Petkovsek M., Dular M. The issue of cavitation number value in studies of water treatment by hydrodynamic cavitation // Ultrasonics Sonochemistry. 2017. V. 34. P. 51–59. doi: 10.1016/j.ultsonch.2016.05.020
14. Joshi R.K., Gogate P.R. Degradation of dichlorvos using hydrodynamic cavitation based treatment strategies // Ultrasonics Sonochemistry. 2012. V. 19. N 3. P. 532–539. doi: 10.1016/j.ultsonch.2011.11.005
15. Petkovsek M., Zupanc M., Dular M. et al. Rotation generator of hydrodynamic cavitation for water treatment // Separation and Purification Technology. 2013. V. 118. P. 415–423. doi: 10.1016/j.seppur.2013.07.029
16. Petkovsek M., Mlakar M., Levstek M. et. al. A novel rotation generator of hydrodynamic cavitation for waste-activated sludge disintegration // Ultrasonics Sonochemistry. 2015. V. 26. P. 408–414. doi: 10.1016/j.ultsonch.2015.01.006
17. Валюхов С.Г., Кретинин А.В., Галдин Д.Н., Баранов С.С. Оптимизационное проектирование проточной части магистрального нефтяного насоса с использованием TURBO инструментов ANSYS // Насосы. Турбины. Системы. 2015. T. 14. № 1. С. 56–68.
18. ANSYS CFX. Computer simulation helps design more efficient water pumps // World Pumps. 2004. N 453. P. 32–34. doi: 10.1016/S0262-1762(04)00228-7
19. Tsutsumi K., Watanabe S., Tsuda S., Yamaguchi T. Cavitation simulation of automotive torque converter using a homogeneous cavitation model // European Journal of Mechanics - B/Fluids. 2017. V. 61. N 2. P. 263–270. doi: 10.1016/j.euromechflu.2016.09.001
20. Алексенский В.А., Жарковский А.А., Пугачев П.В. Расчетное определение кавитационных характеристик центробежных насосов // Известия Самарского научного центра РАН. 2011. Т. 13. №1-2. С. 411–414.
21. Алексеев Д.П., Кузьмин А.В., Чулюнин А.Ю. Численное моделирование кавитации в центробежном насосе // Международный научно-исследовательский журнал. 2014. Т. 24. № 5. С. 121–125.
22. Wursthorn S. Numerische Untersuchung kavitierender Stromungen in einer Modellkreiselpumpe. Karlsruhe, 2001. 185 p.
23. Chen Y., Heister S.D. Two-phase modeling of cavitated flows // Computers & Fluids. 1995. V. 24. N 7. P. 799–809. doi: 10.1016/0045-7930(95)00017-7
24. Константинов С.Ю. Методики аналитического и численного расчета гидравлических характеристик и конструктивных параметров струйно-кавитационного стабилизатора расхода: дис. … канд. техн. наук. Уфа, 2015. 131 с.
25. Смородов Е.А., Галиахметов Р.Н., Ильгамов М.А. Физика и химия кавитации. М.: Наука, 2008. 226 с.
26. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы. Учебник для машиностроительных вузов. 2-е изд., перераб. / Т.М. Башта, С.С. Руднев, Б.Б. Некрасов и др. М.: Машиностроение, 1982. 423 с.
27. Askew J.R. Centrifugal pumps: avoiding cavitation // World Pumps. 2011. N 7-8. P. 34–39. doi: 10.1016/S0262-1762(11)70207-3
 

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License