船用離心泵改進(jìn)的CFD方法研究

杜喆華

（武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所 武漢 430064）

0 引 言

離心泵是將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能利用離心力轉(zhuǎn)化為輸送介質(zhì)能量的一種通用機(jī)械設(shè)備［1］，如果輸送介質(zhì)是水，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能或位能，就是本文的研究對(duì)象水泵。船舶的各個(gè)系統(tǒng)中大量使用離心泵。船用離心泵在使用過(guò)程中，有可能因?yàn)楸姸嘁蛩氐穆?lián)合影響造成泵體非正常振動(dòng)，并引發(fā)與水泵相連管路振動(dòng)，進(jìn)而激勵(lì)船體振動(dòng)噪聲產(chǎn)生，影響船上人員的身心健康。另外，水泵非正常振動(dòng)還會(huì)造成水泵效率降低、揚(yáng)程和流量下降。在日益提高的現(xiàn)代船舶舒適性要求下，船用離心泵不能僅滿足于正常使用工況要求，還必須最大限度減小振動(dòng)。

離心泵內(nèi)流體流動(dòng)相當(dāng)復(fù)雜，因此很難用純理論的方法得到其內(nèi)部流場(chǎng)特性。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)硬件水平的提高以及計(jì)算流體力學(xué)（CFD）和數(shù)值計(jì)算方法的蓬勃發(fā)展，CFD方法已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究離心泵的重要手段。隨著研究的深入，目前用CFD方法研究離心泵呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢(shì)：①湍流模型的深入研究；②優(yōu)化設(shè)計(jì)；③發(fā)展網(wǎng)絡(luò)生成技術(shù)；④向量化及并行算法。

本文以某型船用離心泵為例，介紹了該泵的振動(dòng)現(xiàn)狀，結(jié)合工程實(shí)踐對(duì)可能的原因進(jìn)行了分析，提出改進(jìn)措施；然后用FLUENT軟件對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行數(shù)值模擬分析，最后制造樣機(jī)加以驗(yàn)證。本文的研究思路和方法可為其他離心泵低振動(dòng)改進(jìn)設(shè)計(jì)提供一定的借鑒。

1 某船用離心泵組成與主要參數(shù)

本文研究的某型船用離心泵用于運(yùn)送淡水。該泵主要由泵體、泵蓋、支座、泵軸、聯(lián)軸器、葉輪、密封環(huán)、軸套、填料壓蓋以及電動(dòng)機(jī)等部件組成。其外形簡(jiǎn)圖見圖1。

圖1 某船用離心泵外形簡(jiǎn)圖

該泵主要參數(shù)如下：

額定流量：100 m3/h；

額定揚(yáng)程：43 m；

必需汽蝕余量：4.9 m；

配套電機(jī)轉(zhuǎn)速：2 980 r/min；

配套電機(jī)功率：22 kW。

圖2、圖3是該泵機(jī)腳實(shí)測(cè)的典型振動(dòng)頻譜圖。

圖2 機(jī)腳振動(dòng)線譜

圖3 機(jī)腳振動(dòng)1/3倍頻程譜

2 原因分析及減振措施

自激振動(dòng)和環(huán)境振動(dòng)［2］會(huì)影響船用離心泵運(yùn)行。導(dǎo)致船用離心泵運(yùn)行振動(dòng)較大的原因是多方面的，但結(jié)合該泵安裝情況、運(yùn)行工況以及振動(dòng)頻譜圖，造成設(shè)備振動(dòng)偏大的原因可能是水力設(shè)計(jì)不合理。在運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)泵偏離額定工況點(diǎn)較多時(shí)，泵體內(nèi)水力流態(tài)會(huì)發(fā)生異常，造成水力波動(dòng)增大，從而導(dǎo)致離心泵振動(dòng)較大；而且當(dāng)氣蝕發(fā)生后，泵體內(nèi)會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈水力沖擊，產(chǎn)生較大振動(dòng)和噪聲。綜上所述，該泵主要振動(dòng)源是泵體。造成振動(dòng)偏大的主要原因是水力設(shè)計(jì)不合理引起的內(nèi)部流體激勵(lì)振動(dòng)。

該泵的額定流量處于原泵性能曲線的大流量區(qū)，顯然不盡合理，因此必須對(duì)水力模型進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。新設(shè)計(jì)離心泵的水力模型不僅要滿足性能指標(biāo)要求，還應(yīng)保證額定流量在性能曲線的最優(yōu)范圍內(nèi)，這將有效降低水力原因引起的振動(dòng)。

3 數(shù)值模擬分析

數(shù)值模擬計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展使商用CFD軟件能夠廣泛地應(yīng)用于泵內(nèi)流動(dòng)的研究和計(jì)算分析中。本文也采用了一種基于數(shù)值模擬分析方法，對(duì)該船用離心泵的改進(jìn)研究設(shè)計(jì)。在研究、設(shè)計(jì)過(guò)程中，運(yùn)用FLUENT軟件仿真計(jì)算分析了改進(jìn)設(shè)計(jì)方案的泵內(nèi)流場(chǎng)，泵內(nèi)的流場(chǎng)可視化，并能預(yù)估泵的性能。圖4是典型的數(shù)值模擬計(jì)算步驟。

圖4 數(shù)值模擬計(jì)算步驟

3.1 計(jì)算流體力學(xué)基本理論

計(jì)算流體力學(xué)是把在空間域及時(shí)間域上連續(xù)的物理量場(chǎng)，如速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，用有限個(gè)離散節(jié)點(diǎn)上變量值的集合來(lái)代替，然后建立起關(guān)于這些變量值之間關(guān)系的代數(shù)方程組，最后通過(guò)求解這些組獲得場(chǎng)變量的近似值［3］。

采用計(jì)算流體力學(xué)的方法對(duì)流體流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，通常包括如下步驟［4］：

（1）建立可以反映實(shí)際問題的數(shù)學(xué)模型，也就是要建立反映問題各個(gè)量之間關(guān)系的微分方程以及相應(yīng)的邊界條件和初始條件，這是數(shù)值模擬分析的出發(fā)點(diǎn)。

（2）尋求高效及準(zhǔn)確的計(jì)算方法。該部分的核心工作是離散控制方程，使其變?yōu)榉奖闱蠼獾拇鷶?shù)方程，數(shù)值離散方法包括限差分法、有限單元法、有限體積法等。

（3）編制程序進(jìn)行計(jì)算。這部分工作耗時(shí)最多，包括劃分計(jì)算網(wǎng)格、輸入邊界條件和初始條件、設(shè)定控制參數(shù)等。

（4）顯示數(shù)值模擬結(jié)果并分析。將結(jié)果在計(jì)算機(jī)上以圖形的形式呈現(xiàn)，可方便觀察分析流動(dòng)狀態(tài)。

上述4步中，最關(guān)鍵的步驟是離散控制方程和建立工程上適用的計(jì)算模型［5］。

3.2 設(shè)計(jì)工況及物性參數(shù)

額定流量：100 m3/h

配套電機(jī)轉(zhuǎn)速：2 980 r/min

入口壓力：101 325 Pa

流體密度：998.2 kg/m3

流體粘度：0.001 003 kg/m·s

3.3 三維流道實(shí)體模型

離心泵的過(guò)流部件包括葉輪、蝸殼、進(jìn)出水管。首先要建立泵體內(nèi)部流體流動(dòng)的計(jì)算模型，然后才能進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算。本文利用三維設(shè)計(jì)軟件CATIA來(lái)分別建立其葉輪、蝸殼、進(jìn)出水管的流道模型，進(jìn)而將部件裝配建立離心泵三維流道實(shí)體模型。為了保證流體能夠平穩(wěn)入流，模型增加了進(jìn)口延伸段，如圖5所示。

3.4 網(wǎng)格劃分

將上文得到的整機(jī)流道三維模型導(dǎo)入到前處理軟件GAMBIT中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，整機(jī)流道模型網(wǎng)格劃分見圖6。其中對(duì)部分部件進(jìn)行了網(wǎng)格加密，如葉輪及蝸殼隔舍處，整機(jī)流道區(qū)域網(wǎng)格數(shù)量為468 786個(gè)。

圖5 整機(jī)流道三維模型圖

圖6 整機(jī)流道模型網(wǎng)格劃分圖

3.5 計(jì)算模型

本文選用雷諾時(shí)均方程法對(duì)N-S控制方程作時(shí)間平均，壓力速度耦合采用SIMPLE算法（Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations），選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程湍流模型，離散差分方程采用二階迎風(fēng)格式。應(yīng)用亞松弛迭代計(jì)算代數(shù)方程，壓力亞松弛系數(shù)0.3、速度項(xiàng)為0.7、湍動(dòng)能亞松弛系數(shù)0.8、湍動(dòng)能耗散率項(xiàng)為0.8、設(shè)定收斂精度為10-4。

由于離心泵既有旋轉(zhuǎn)部件又有靜止部件，因此將計(jì)算區(qū)域劃分成轉(zhuǎn)子和定子兩個(gè)子區(qū)域［6］。其中葉輪和泵殼的耦合采用多參考坐標(biāo)系模型，葉輪內(nèi)流動(dòng)使用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系分析，泵殼內(nèi)流動(dòng)使用固定坐標(biāo)系，轉(zhuǎn)子和定子區(qū)域的交界面處交換慣性坐標(biāo)系下的流體參數(shù)。

3.6 邊界條件

進(jìn)口邊界條件：根據(jù)流量及進(jìn)口截面積計(jì)算出流道區(qū)域的速度進(jìn)口條件2.26 m/s。

出口邊界條件：取出流邊界條件。

壁面條件：葉輪、泵體與液體相接觸的固體壁面上均采用無(wú)滑移壁面條件，其余固體壁面都設(shè)置為靜止壁面。

慣性載荷條件：取2 980 r/min。

3.7 計(jì)算結(jié)果

3.7.1 結(jié)果分析

從圖7可以看出，離心泵整機(jī)流道內(nèi)除出現(xiàn)局部高壓和低壓區(qū)外，流體的壓力分布比較均勻，且呈現(xiàn)出較強(qiáng)的軸對(duì)稱性，這有助于降低徑向力，減小整個(gè)泵體的振動(dòng)。葉輪對(duì)流體做功，使得流體的總壓力逐漸升高，最大處出現(xiàn)在葉片壓力面出口處。流體進(jìn)入蝸殼后由于存在壓力損失，總壓力沿流動(dòng)方向又開始遞減。

圖7 離心泵整機(jī)流場(chǎng)總壓力分布圖

從圖8可以看出，由于葉輪對(duì)流體做功，靜壓由進(jìn)口到出口持續(xù)上升，最高處在蝸殼外壁面處。出口處的靜壓有所上升是由流道的擴(kuò)張?jiān)斐伞?/p>

圖8 離心泵整機(jī)流場(chǎng)靜壓力分布圖

由圖9～10可以看出，流體在離心泵流動(dòng)過(guò)程中，葉輪出口附近的流速最大，葉輪進(jìn)口處的流速最小。由速度矢量圖可以發(fā)現(xiàn)，流體在泵體內(nèi)部流動(dòng)比較均勻，無(wú)明顯的流動(dòng)分離和沖擊現(xiàn)象。流體速度分布表現(xiàn)出由葉輪進(jìn)口到葉輪出口不斷升高，由葉輪至泵殼速度逐漸降低的規(guī)律。伴隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)做功，流體在蝸殼進(jìn)口附近流速較均勻，在順著泵殼導(dǎo)流的方向流體速度不斷升高，隨著流體流向出口，速度逐漸變低，至泵出口區(qū)域才慢慢降低。這些結(jié)果都表明該離心泵在設(shè)計(jì)工況下的運(yùn)行狀態(tài)良好。

圖9 離心泵整機(jī)流場(chǎng)絕對(duì)速度分布圖

圖10 離心泵整機(jī)流場(chǎng)速度矢量圖

3.7.2 性能預(yù)測(cè)

在設(shè)計(jì)工況下：

揚(yáng)程H=42.5 m

效率 η=γQH/Mω=73%

3.7.3 分析結(jié)論

本節(jié)對(duì)離心泵內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，仿真圖形直觀揭示了泵內(nèi)部的流動(dòng)規(guī)律，對(duì)于離心泵改善其水力性能及降低振動(dòng)都具有重要的意義。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，該優(yōu)化設(shè)計(jì)后的離心泵性能參數(shù)接近設(shè)計(jì)值，誤差較?。槐脙?nèi)流場(chǎng)呈現(xiàn)出比較均勻、合理的特點(diǎn)，離心泵工作穩(wěn)定性較好，有利于降低運(yùn)行振動(dòng)水平。

4 試制及試驗(yàn)

4.1 樣機(jī)試制

根據(jù)前文所述的振動(dòng)噪聲控制措施和CFD仿真計(jì)算結(jié)果，對(duì)原離心泵進(jìn)行重新修改設(shè)計(jì)，然后制造了1臺(tái)離心泵樣機(jī)，如圖11所示。

圖11 船用離心泵外型

4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

根據(jù)GB/T 3216-2005《回轉(zhuǎn)動(dòng)力泵 水力性能驗(yàn)收試驗(yàn) 1級(jí)和2級(jí)》和JB/T 8097-1999《泵的振動(dòng)測(cè)量與評(píng)價(jià)方法》的要求，搭建了試驗(yàn)平臺(tái)。

4.2.1 水力性能

離心泵樣機(jī)的水力性能符合技術(shù)要求。

4.2.2 振動(dòng)數(shù)據(jù)

樣機(jī)的振動(dòng)水平較原離心泵大幅下降，整改措施達(dá)到預(yù)期效果。典型測(cè)試頻譜見圖12、圖13。

5 結(jié) 論

船用離心泵振動(dòng)改進(jìn)的成功，不僅大幅降低了設(shè)備的振動(dòng)水平，同時(shí)在研究過(guò)程中加深了對(duì)振動(dòng)控制工作的認(rèn)識(shí)，初步形成了以CFD數(shù)值模擬為基礎(chǔ)一套研究思路和方法，并積累了大量有益的經(jīng)驗(yàn)，可為其他類似離心泵振動(dòng)改進(jìn)提供一定的借鑒。

圖12 機(jī)腳振動(dòng)線譜

圖13 機(jī)腳振動(dòng)1/3倍頻程譜

通過(guò)對(duì)船用離心泵改進(jìn)方案內(nèi)流道的CFD數(shù)值模擬分析，可以揭示離心泵內(nèi)部的流動(dòng)特征以及水力設(shè)計(jì)中存在的問題，從而可有的放矢地修正設(shè)計(jì)方案。此外，該方法可以對(duì)主要性能參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果有一定的工程應(yīng)用價(jià)值，從而減少相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證次數(shù)，提高研制效率、節(jié)約成本。

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