基于Fluent的離心泵二維流場(chǎng)數(shù)值模擬

譚宗柒 葉惠軍 李燦燦

（三峽大學(xué) 機(jī)械與材料學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

隨著流體力學(xué)計(jì)算技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)值模擬開(kāi)始廣泛應(yīng)用于葉輪設(shè)計(jì)和流場(chǎng)分析中，而CFD是一種研究流體力學(xué)的數(shù)值模擬的有效方法.多重坐標(biāo)系模型（Multiple Refernce Frame，MRF）的基本思想是把離心泵內(nèi)流場(chǎng)簡(jiǎn)化為葉輪在某一個(gè)位置的瞬時(shí)流場(chǎng)，將非定常問(wèn)題用定常方法計(jì)算.轉(zhuǎn)子區(qū)域的網(wǎng)格在計(jì)算時(shí)保持靜止，在慣性坐標(biāo)系中以科氏力和離心力進(jìn)行定常計(jì)算；而定子區(qū)域在慣性坐標(biāo)系中進(jìn)行定常計(jì)算.在兩個(gè)子區(qū)域的交界面處交換慣性坐標(biāo)系下的流動(dòng)參數(shù)，保證交界面的連續(xù)性［1］.

離心泵是一種量大面廣的機(jī)械設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于各種水力機(jī)械中，包括給水排水及農(nóng)業(yè)工程、工業(yè)工程、航空航天和航海工程、能源工程、車輛工程等.離心泵由于工況變化、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等因素會(huì)造成運(yùn)行時(shí)泵內(nèi)流場(chǎng)的不對(duì)稱性.

1 CFD模型控制方程

離心泵的內(nèi)部流動(dòng)屬于定常不可壓粘性流動(dòng)，其N－S方程為［2］:

連續(xù)性方程

動(dòng)量守恒方程

由于RANS方程組不封閉，故引入k－ε模型來(lái)封閉:

式中，湍動(dòng)黏度可以表示為vt＝；湍動(dòng)能可表示為

2 建模及分析

使用Fluent軟件的前處理程序Gambit分別生成葉輪、蝸殼的流動(dòng)區(qū)域，再對(duì)葉輪、蝸殼的流動(dòng)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后利用Fluent導(dǎo)入.msh文件進(jìn)行計(jì)算［3－6］.某型號(hào)離心泵部分參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 某型號(hào)離心泵部分參數(shù)

2.1 網(wǎng)格劃分

葉輪流動(dòng)區(qū)域:“Elements”對(duì)應(yīng)的選項(xiàng)為“Tri”，對(duì)應(yīng)的“Type”選項(xiàng)為“Pave”，相應(yīng)的“Spacing”為1，共劃分50464個(gè)網(wǎng)格；蝸殼流動(dòng)區(qū)域:“Elements”對(duì)應(yīng)的選項(xiàng)為“Tri”，對(duì)應(yīng)的“Type”選項(xiàng)為“Pave”，相應(yīng)的“Spacing”為2，共劃分34192個(gè)網(wǎng)格.

圖1 離心泵網(wǎng)格化及局部放大圖

2.2 計(jì)算求解

采用壓力速度耦合的半隱式求解，選擇標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型，經(jīng)過(guò)418次迭代后控制方程收斂，得到離心泵模型速度分布圖和壓力分布圖，如圖2～5所示.

2.3 結(jié)果分析

水流從垂直于進(jìn)口的方向以2m／s的速度進(jìn)入葉輪，經(jīng)過(guò)蝸殼的作用，從出口邊流出.計(jì)算過(guò)程中流體的密度取1.225kg／m3，入口的壓力為大氣壓101.325kPa，流體黏度1.7894×10－5kg／（m·s）.

從圖2和圖3可以看出，葉輪流道內(nèi)流場(chǎng)表現(xiàn)出明顯的非對(duì)稱性.其中靠近出口的葉輪通道液流速度約為14.7m／s，明顯高于其他葉輪通道；與泵殼壁面距離最近的葉輪通道處的速度約為18m／s，高于相連的與泵殼壁面較遠(yuǎn)處的速度.總體上，隨著葉輪與壁面距離的增大，流速也隨之增大.同時(shí)，隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)，葉輪倒葉相對(duì)位置的改變，葉輪出口流速也不斷發(fā)生變化，導(dǎo)致葉輪內(nèi)部流場(chǎng)表現(xiàn)出不對(duì)稱、不穩(wěn)定的狀態(tài).

從圖4和圖5可以看出，泵內(nèi)靜壓和總壓也表現(xiàn)出非對(duì)稱性.由于葉輪旋轉(zhuǎn)做功，葉輪內(nèi)的靜壓隨著流動(dòng)方向逐漸增大.葉輪離泵殼較近的下區(qū)域附近，由于液流的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成勢(shì)能造成泵內(nèi)靜壓達(dá)到最大，隨著沿程的水力損失，靜壓力逐漸降低.同時(shí)，泵內(nèi)的最大壓力并不在出口處，而是在葉輪離泵殼較近的下區(qū)域附近，其主要原因是渦殼與水流相接觸的壁面采用無(wú)滑移壁面條件，這樣流體在渦殼壁面附近的速度極小，根據(jù)能量守恒定律，此處壓力比出口處的大.

3 結(jié) 論

本文基于N－S方程和標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型，利用Fluent對(duì)離心泵的二維流場(chǎng)進(jìn)行模擬，繪制出了速度分布圖、靜壓分布圖、總壓分布圖.由于泵體結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱性以及葉輪與泵殼間的小空隙，離心泵內(nèi)壓力、速度均表現(xiàn)出明顯的非均勻性.從而可以得出，流場(chǎng)的非均勻性會(huì)導(dǎo)致泵體受力不平衡，對(duì)泵運(yùn)行的穩(wěn)定性有很大的不利影響.研究?jī)?nèi)容對(duì)離心泵的優(yōu)化和改進(jìn)有一定的指導(dǎo)意義.

［1］唐 輝，何 楓.離心泵內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬［J］.水泵技術(shù)，2002（3）:3－7.

［2］王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004:120－123.

［3］王秀勇.離心泵流動(dòng)特性的數(shù)值分析［D］.杭州:浙江大學(xué)，2007.

［4］呂培文.基于CFD離心泵數(shù)值模擬及性能優(yōu)化［D］.上海:華東理工大學(xué)，2010.

［5］李進(jìn)良，李承曦，胡仁喜，等.精通FLUENT6.3流場(chǎng)分析［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［6］陳乃祥，吳玉林.離心泵［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.