Comparisons RANS and URANS numerical results with experiments in a vaned diffuser of a centrifugal pump

Comparaisons de différents modèles numériques à des résultats expérimentaux dans un diffuseur aubé de pompe centrifuge

¹ Arts et Métiers PARISTECH, LML, UMR CNRS 8107, Bd Paul Langevin, 59655 VILLENEUVE D'ASCQ -
annie-claude.bayeul-laine@ensam.eu
² Ecole Centrale de Lille, LML, UMR CNRS 8107, Bd Paul Langevin, 59655 VILLENEUVE D'ASCQ
³ Department of Industrial Engineering, University of Padova, Via Venezia 1, 35131 Padova, Italy

Abstract

The paper presents the analysis of the performance and the internal flow behaviour in the vaned diffuser of a radial flow pump using PIV (particles image velocimetry) technique, pressure probe traverses and numerical simulations. PIV measurements have been performed at different hub to shroud planes inside one diffuser channel passage for a given rotational speed and various flow rates. For each operating condition, PIV measurements have been made for different angular positions of the impeller. Probe traverses have also been performed using a 3 holes pressure probe from hub to shroud diffuser width at different radial locations in between the two diffuser geometrical throats. The numerical simulations were realized with the two commercial codes: i-Star CCM+ 8.02.011 (RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes) turbulence model, frozen rotor and unsteady calculations), ii-CFX 10.0 (turbulence modelled with DES model (Detached Eddy Simulation) combining RANS with LES (Large Eddy Simulation), unsteady calculations). Comparisons between numerical (fully unsteady calculations) and experimental results are presented and discussed for two flow rates. In this respect, the effects of fluid leakage due to the gap between the rotating and fixed part of the pump model are analysed and discussed.

Résumé

L'analyse des performances et de l'écoulement interne dans un diffuseur aubé de la pompe centrifuge SHF (testée en air) fait l'objet de ce papier. La particularité de cette pompe est qu'il n'y a pas de volute à l'aval de telle sorte que l'écoulement refoule à l'air libre. Une caractéristique de ce diffuseur est que son débit nominal correspond à 80% du débit nominal de la roue. L'analyse des performances est réalisée grâce à la technique PIV (Vélocimétrie par images de particules), aux sondes de pression trois trous et aux simulations numériques. Les mesures PIV ont été réalisées pour différents plans entre le carter et le moyeu dans un canal du diffuseur, pour une vitesse de rotation de roue fixée, et différents débits. Dans chaque cas, les mesures PIV ont été effectuées pour sept différentes positions angulaires de la roue, deux positions seulement sont ici présentées. Des sondes de pression trois trous ont également été utilisées dans le diffuseur à différentes positions radiales et axiales, en entrée et sortie du diffuseur et dans le canal inter-aubes. Les simulations numériques ont été réalisées à l'aide de deux codes de calcul: i-Star CCM+ 8.02.011 (modélisations RANS en " frozen rotor " et en calculs instationnaires), ii-CFX 10.0 (calculs instationnaires, modélisation de la turbulence par DES combinant un modèle RANS avec la LES ). Les mesures réalisées avec les sondes trois trous et les résultats des simulations numériques donnent des informations sur les évolutions des coefficients de pressions statiques et dynamiques. On a pu constater que les performances globales de la machine dépendaient peu des débits de fuite. D'un point de vue local, seules les vitesses radiales et tangentielles sont ici comparées. Les courbes vr en fonction du rayon, dans le canal inter-aubes du diffuseur, pour deux débits encadrant le débit nominal de la roue, montrent que les résultats expérimentaux sont en bonne correspondance avec la courbe de simulation numérique tenant compte de fuites entre le diffuseur et la roue. L'analyse quantitative des iso valeurs vr et vu donne une idée des structures présentes dans le diffuseur.