基于FLUENT的離心泵葉輪數(shù)值模擬計(jì)算

梁月娟

陽(yáng)江市新力工業(yè)有限公司，廣東 陽(yáng)江 529500

1 計(jì)算模型的建立

1.1 模擬模型的建立與網(wǎng)格劃分

利用三維建模軟件Pro-E建立模擬所用的葉輪模型和泵外殼模型，如圖1所示。葉輪的葉片數(shù)為7，設(shè)計(jì)為后彎葉片式，導(dǎo)葉的葉片數(shù)為10，設(shè)計(jì)為徑向式結(jié)構(gòu)。利用FLUENT的前處理軟件Gambit對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，劃分后的模型網(wǎng)格如圖2所示。

圖1 葉輪和泵體物理模型

圖2 模型網(wǎng)格示意圖

1.2 求解器設(shè)置

選取FLUENT軟件中的3D模型求解。在MODELSOLVER中選取Pressure-Based求解，采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型，各值保持默認(rèn)設(shè)置。為使計(jì)算加快收斂，在SOLVECONTROLS中，采用SIMPLEC算法來(lái)計(jì)算壓力-速度耦合（Pressure-Velocity Coupling）。在差分離散方法中，壓力方程選用標(biāo)準(zhǔn)格式（Standard）。為使單位表面計(jì)算值有二階精度，采用二階迎風(fēng)格式（Second Order Upwind）計(jì)算動(dòng)量方程、湍動(dòng)能方程與耗散率輸運(yùn)方程。在迭代計(jì)算的過(guò)程中，打開(kāi)殘差監(jiān)視器，通過(guò)殘差監(jiān)視器判斷計(jì)算是否收斂。各項(xiàng)的收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為0.001。

1.3 邊界條件的設(shè)置

計(jì)算中采用了多重參考系，葉輪為移動(dòng)參考系，其余為絕對(duì)參考系。

對(duì)于本計(jì)算模型，共需設(shè)置三個(gè)邊界條件，分別是進(jìn)口邊界，出口邊界和壁面邊界。

進(jìn)口邊界設(shè)置:根據(jù)泵使用的一般情況，把進(jìn)口邊界設(shè)置為質(zhì)量入口邊界（Mass-Flow-inlet）。由實(shí)際的工況決定表中的質(zhì)量流速和質(zhì)量流量，總溫，壓力和流動(dòng)方向等具體數(shù)值。湍流計(jì)算選取水力直徑和湍流強(qiáng)度，其數(shù)值大小根據(jù)理論計(jì)算給出。

出口邊界設(shè)置:因不知道出口的速度和壓力，因此出口邊界設(shè)置為自由出流邊界條件（Outflow），保證流動(dòng)是完全發(fā)展的。

壁面邊界條件:壁面邊界設(shè)置為無(wú)滑移的固壁條件（Wall）。

1.4 泵工況與流體性質(zhì)參數(shù)

泵的工況及流體性質(zhì)參數(shù)如表1所示，流體為清水。

表1 泵工況及流體性質(zhì)參數(shù)表

2 模擬計(jì)算的結(jié)果與分析

2.1 壓力計(jì)算結(jié)果及分析

圖3 葉輪壓力分布圖

圖3為模擬計(jì)算后，葉輪處的壓力分布圖。由圖中可看出，在流動(dòng)方向上，葉輪內(nèi)的壓力是逐漸增加的。壓力最大值出現(xiàn)在泵體內(nèi)的周?chē)浇?，壓力在?dǎo)葉后的區(qū)域數(shù)值略有下降。由此分析，在流動(dòng)方向上，葉輪內(nèi)的壓力的增加，這是由于葉輪以旋轉(zhuǎn)的方式做功。在泵體內(nèi)，流體的能量變化由動(dòng)能變?yōu)閯?shì)能，出現(xiàn)最大壓力值。在導(dǎo)葉后，流體因水力損失，導(dǎo)致壓力值有所下降。

2.2 流場(chǎng)模擬分布

圖4為模擬計(jì)算后，葉輪處的流場(chǎng)分布圖。從圖中可以看出在葉輪處流體的三維空間速度大小分布和流向趨勢(shì)。由圖中可看出，葉輪的絕對(duì)速度最大為16.7m/s。在葉輪出口附近，靠近葉片吸力面和葉輪前盤(pán)附近，特別是在這兩個(gè)面的交匯處附近，流體的相對(duì)速度比較低，形成尾跡區(qū)。在壓力面附近的流體的相對(duì)速度比較高，形成了射流區(qū)，出現(xiàn)射流-尾跡結(jié)構(gòu)。同時(shí)，由于導(dǎo)葉葉頭處的干擾，葉輪的出流在該處出現(xiàn)了與葉輪運(yùn)動(dòng)方向相反的逆流。在導(dǎo)葉內(nèi)，流體的速度在凸面略高于凹面。

圖4 葉輪的流場(chǎng)分布圖

3 性能預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)于離心泵，其揚(yáng)程，泵級(jí)軸功率，泵效率可用下列公式計(jì)算。

泵揚(yáng)程計(jì)算公式[1]:

式中:Pout為流體在出口處單位面積上的平均總壓力，Pa；

Pin為流體在入口處單位面積上的平均總壓力，Pa；

ρ為流體密度，kg/m3；

g為重力加速度，m/s2。

泵級(jí)軸功率計(jì)算公式[2]:

式中:M為作用在葉輪上的轉(zhuǎn)軸的力矩，N·m；

n為泵的轉(zhuǎn)速，rpm。

泵效率計(jì)算公式[1]:

式中，Q為泵的體積流量，m3/s。

根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)[3]，在計(jì)算揚(yáng)程和效率時(shí)，容積效率ηV取0.96，圓盤(pán)摩擦效率ηm取0.96。

根據(jù)上述公式，結(jié)合模擬數(shù)值，得出泵的流量-揚(yáng)程，流量-軸功率和流量-效率預(yù)測(cè)曲線。同時(shí)，為把模擬計(jì)算得到的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)果作對(duì)比，在陽(yáng)江市新力工業(yè)有限公司的水泵測(cè)試站對(duì)離心泵的性能進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，得到實(shí)際測(cè)試的性能曲線。

圖5，圖6，圖7為模擬數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果的對(duì)比。

圖5 流量-揚(yáng)程曲線圖

圖6 流量-軸功率曲線圖

圖7 流量-效率曲線圖

從以上圖可見(jiàn)，模擬預(yù)測(cè)值和實(shí)際測(cè)量值吻合十分好。模擬預(yù)測(cè)值能比較準(zhǔn)確地反應(yīng)泵的實(shí)際工作狀況。

4 結(jié)論

1）使用FLUENT模擬軟件能有效地描述離心泵葉輪的工作狀況；

2）通過(guò)模擬計(jì)算預(yù)測(cè)曲線和實(shí)際測(cè)試數(shù)值十分吻合，說(shuō)明在泵設(shè)計(jì)的參數(shù)優(yōu)化過(guò)程中，模擬計(jì)算軟件能起到很好的輔助作用。

[1]王秀勇，王燦星.基于數(shù)值模擬的離心泵性能預(yù)測(cè)[J].流體機(jī)械，2007，35(10):9-13.

[2]張淑佳，朱保林，林鋒，等.基于仿真分析的離心泵特性曲線計(jì)算[J].中國(guó)機(jī)械工程，2006(8):46-48.

[3]關(guān)醒凡.泵的理論與設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1987.