Дослідження вимірювання характеристик потоку у вихрових камерах насосів з урахуванням впливу інструмента на потік

Abstract

Досліджено вплив вимірювального інструменту на течію у вихорокамерному насосі (ВКН). Чисельне моделювання виконано в ANSYS CFX із використанням RANS‑моделі турбулентності SST; проведено стаціонарні та нестаціонарні розрахунки на неструктурованих сітках із контролем збіжності та критеріїв якості пристінного шару. Розглянуто декілька конфігурацій розміщення інструмента: у торцевій кришці (для різних відносних діаметрів) та на бічній поверхні камери. Оцінювання впливу здійснювалося за полями швидкості у меридіональній та горизонтальній площинах, картами різниці швидкостей відносно базового (безінструментального) випадку, ізоповерхнями λ2‑критерію та розподілами інтенсивності турбулентності. Показано, що отвори в торцевих кришках практично не змінюють енергетичні параметри насоса: погіршення ККД і витрати не перевищує ≈ 5 % у широкому діапазоні відносних діаметрів зонда – у межах типових експериментальних похибок. Натомість бічне встановлення спричиняє суттєву асиметрію течії, локальне підсилення турбулентності та помітне падіння ефективності: у найгіршому випадку ККД знижується до 0,32 від базового рівня. Виявлено, що основне систематичне відхилення у вимірюваннях стосується тангенціальної (обертальної) компоненти швидкості: рідина в каналі інструмента не встигає набути кутової швидкості основного потоку, тож локально занижується вимірюване значення. Для мінімізації впливу рекомендовано: розміщувати зонд у торцевій кришці; обмежувати відносний діаметр інструмента значенням ≤ 0,25 діаметра горла камери; орієнтувати приймач перпендикулярно до вимірюваної компоненти швидкості. Отримані результати конкретизують умови репрезентативності контактних вимірювань у ВКН та можуть бути використані для планування експериментів і побудови корекційних методик порівняння з CFD.

The study quantifies how a measuring probe perturbs the internal flow of a vortex chamber pump (VCP) and affects its integral energy metrics. CFD simulations were performed in ANSYS CFX using the RANS SST turbulence model; both steady and unsteady runs on unstructured meshes were executed with strict convergence and near‑wall quality controls. Probe locations included the end cover (for several relative diameters) and the lateral wall of the chamber. The impact was evaluated using meridional and horizontal velocity fields, speed‑difference maps versus the baseline (no probe), λ2‑criterion iso‑surfaces, and turbulence intensity distributions. End‑cover ports practically do not alter the pump's energy parameters: the efficiency and flow rate deterioration stay within ≈ 5 % across a wide range of relative probe diameters, i.e., within typical experimental uncertainty. In contrast, lateral mounting induces strong flow asymmetry, local turbulence intensity amplification, and a marked efficiency drop; in the worst case, the efficiency decreases to 0.32 of the baseline. The principal systematic measurement bias concerns the tangential (swirl) velocity component: fluid inside the probe channel does not rapidly acquire the main flow's angular speed rapidly enough, leading to locally underestimated readings. To minimize interference, we recommend: placing the probe in the end cover, limiting its relative diameter to ≤ 0.25 of the throat, and orienting the sensor standard to the measured velocity component. These results clarify the conditions for representative contact measurements in VCPs and support the design of experiments and correction procedures for CFD-experiment comparison.