基于CFD的離心泵內(nèi)部流場數(shù)值模擬

鄭玉彬+張旭明

摘 要：為研究CFD技術(shù)在離心泵內(nèi)部流場分析方面的應(yīng)用，通過三維軟件Pro/E對核主泵內(nèi)部流道進(jìn)行三維造型，基于雷諾時(shí)均N-S方程和k-ε湍流模型兩方程及SIMPLEC算法，應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)軟件CFX對泵進(jìn)行了定常數(shù)值模擬和分析。結(jié)果表明：由于蝸殼的擴(kuò)壓作用，在0.6Q～1.3Q泵的內(nèi)部壓力變化梯度明顯，從葉輪進(jìn)口向蝸殼出口方向，壓力逐漸增加。在0.9Q～1.1Q工況，泵內(nèi)的壓力變化更加均勻，這表明在設(shè)計(jì)點(diǎn)附近，泵的流動(dòng)更加穩(wěn)定。而在1.2Q和1.3Q工況，在第八斷面附近，出現(xiàn)高壓流體和低壓流體交匯，流場分布不均勻，這表明泵在大流量區(qū)域流動(dòng)不穩(wěn)定。應(yīng)用CFD技術(shù)能很好的分析離心泵的內(nèi)部流場。

關(guān)鍵詞：CFD；離心泵；數(shù)值模擬

隨著工業(yè)和城市化的進(jìn)一步發(fā)展，我國面臨著水污染嚴(yán)重，污水治理起步晚、基礎(chǔ)差、要求高的形勢，因此開發(fā)高效節(jié)能的排污泵能夠降低能耗，達(dá)到節(jié)能的效果，可以為國家?guī)砭薮蟮慕?jīng)濟(jì)效益[1]。

施衛(wèi)東[2]為實(shí)現(xiàn)低比轉(zhuǎn)速潛水排污泵高揚(yáng)程、高效率、無過載性能的統(tǒng)一，對WQS150-48-37型低比轉(zhuǎn)速潛水排污泵采用不同設(shè)計(jì)方法，經(jīng)優(yōu)化得出3種方案，應(yīng)用Pro/E軟件建模，結(jié)合Fluent軟件對3種方案進(jìn)行了多工況內(nèi)部流場分析和性能預(yù)測，并與外特性試驗(yàn)結(jié)果對比。叢小青[3]針對低比速排污泵軸功率曲線隨流量增大而增大這一特點(diǎn)，從理論上推導(dǎo)了排污泵產(chǎn)生無過載軸功率的條件，分析了主要幾何參數(shù)對揚(yáng)程曲線斜率的影響，給出了無過載排污泵水力設(shè)計(jì)中主要幾何參數(shù)的選擇原則和范圍，同時(shí)通過設(shè)計(jì)實(shí)例，闡述了無過載排污泵的設(shè)計(jì)方法。劉厚林[4]通過對雙流道泵葉輪和蝸殼里的水力損失、容積損失、機(jī)械損失的分析，提出了雙流道泵揚(yáng)程曲線、效率曲線的性能預(yù)測方法，分別給出了雙流道泵葉輪和蝸殼內(nèi)各種摩擦損失、擴(kuò)散損失，及主要局部損失的計(jì)算方法。張德勝[5]為了研究低比轉(zhuǎn)速離心泵內(nèi)部流動(dòng)特性，對10種不同設(shè)計(jì)方案的低比轉(zhuǎn)速離心泵進(jìn)行了數(shù)值模擬和性能預(yù)測，討論了葉輪和蝸殼的關(guān)鍵幾何參數(shù)對內(nèi)部流場和外特性的影響，分析了不同設(shè)計(jì)方案下泵內(nèi)的靜壓、流線、速度和湍動(dòng)能等分布，并針對復(fù)合式葉輪短葉片的分布位置和蝸殼喉部面積進(jìn)行了對比試驗(yàn)。

文章通過三維軟件Pro/E對核主泵內(nèi)部流道進(jìn)行三維造型，基于雷諾時(shí)均N-S方程和k-ε湍流模型兩方程及SIMPLEC算法，應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)軟件CFX對泵內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行定常數(shù)值模擬，旨在為泵的水力優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 數(shù)值計(jì)算方法

1.1 泵的基本參數(shù)

額定流量Q=1400m3/h，額定揚(yáng)程H=15m，轉(zhuǎn)速n=990r/min，比轉(zhuǎn)速ns=295，葉輪進(jìn)口直徑D1=330mm，葉輪外徑D2=430mm，進(jìn)行葉輪、泵體等水力部件設(shè)計(jì)。利用Pro/E軟件建立葉輪泵殼的幾何模型，主泵三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 網(wǎng)格及計(jì)算區(qū)域劃分

根據(jù)離心泵的流動(dòng)特性將流動(dòng)區(qū)域分為以下區(qū)域：靜止區(qū)1（進(jìn)口流道），靜止區(qū)2（壓水室），旋轉(zhuǎn)區(qū)（葉輪）。

為了獲得更穩(wěn)定的流態(tài)，延長一定程度的葉輪進(jìn)口段。在Workbench中對三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在確保網(wǎng)格的計(jì)算精度和計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，由于混合網(wǎng)格技術(shù)具有結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格兼有的優(yōu)點(diǎn)，并且生成方便、快速，采用自動(dòng)劃分法對計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對葉輪調(diào)整單元尺寸加密劃分，結(jié)果如下：進(jìn)口流道的網(wǎng)格數(shù)為202800，蝸殼網(wǎng)格數(shù)為538468，葉輪網(wǎng)格數(shù)為604378，網(wǎng)格質(zhì)量和網(wǎng)格無關(guān)性檢查良好。

1.3 控制方程

假定流體不可壓縮，則連續(xù)性方程為

（1）

動(dòng)量方程為

（2）

式中：p-平均靜壓；u'i-速度脈動(dòng)量；？籽-液體密度；ui-i方向的雷諾平均速度

標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程為

（3）

（4）

（5）

（6）

式中，μt為湍動(dòng)粘度；GK為湍動(dòng)能生成項(xiàng)；其余參數(shù)C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09，σε=1.3，σK=1.0。

1.4 計(jì)算方法及邊界條件

在流量一定時(shí)，為了得到更加準(zhǔn)確的速度和壓力梯度，進(jìn)口采用壓力進(jìn)口條件，出口采用質(zhì)量出流邊界條件。壁面采用無滑移壁面邊界條件。為了更好的處理流動(dòng)邊界層，在近壁區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。輸送介質(zhì)為清水。采用SIMPLEC算法實(shí)現(xiàn)速度和壓力之間的耦合。計(jì)算過程中的亞松弛因子均采用CFX軟件的默認(rèn)值，殘差收斂精度設(shè)置為10-5。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

為了便于后處理，更好地分析泵的內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)，建立一個(gè)垂直于旋轉(zhuǎn)軸的等值面A-A。

圖2為泵在0.6Q～1.3Q工況下的全流道靜壓圖。從圖中可以看出，在0.6Q～1.3Q泵的內(nèi)部壓力變化梯度明顯，從葉輪進(jìn)口向蝸殼出口方向，由于蝸殼的擴(kuò)壓作用，壓力逐漸增加。在各工況下，均存在三個(gè)區(qū)域的壓力梯度變化，主要是因?yàn)槿~輪葉片數(shù)為3個(gè)，對應(yīng)三個(gè)流道，隨著葉片對流體做功，流體不斷獲得能量，形成壓力梯度。在0.6Q工況，葉片進(jìn)口背面存在較為明顯的低壓區(qū)，主要因?yàn)樵谛×髁繀^(qū)域，流體在進(jìn)口區(qū)形成脫流，易造成泵在小流量運(yùn)行的不穩(wěn)定流動(dòng)[6]。在0.7Q～1.3Q工況，隨著流量的增加，進(jìn)口區(qū)域的低壓區(qū)逐漸減小。在0.9Q～1.1Q工況，泵內(nèi)的壓力變化更加均勻，這表明在設(shè)計(jì)點(diǎn)附近，泵的流動(dòng)更加穩(wěn)定。而在1.2Q和1.3Q工況，在第八斷面附近，出現(xiàn)高壓流體和低壓流體交匯，流場分布不均勻，這表明泵在大流量區(qū)域流動(dòng)不穩(wěn)定。

3 結(jié)束語

為研究CFD技術(shù)在離心泵內(nèi)部流場分析方面的應(yīng)用，通過三維軟件Pro/E對核主泵內(nèi)部流道進(jìn)行三維造型，基于雷諾時(shí)均N-S方程和k-ε湍流模型兩方程及SIMPLEC算法，應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)軟件CFX對泵進(jìn)行了定常數(shù)值模擬和分析。結(jié)果表明：

3.1 由于蝸殼的擴(kuò)壓作用，在0.6Q～1.3Q泵的內(nèi)部壓力變化梯度明顯，從葉輪進(jìn)口向蝸殼出口方向，壓力逐漸增加。

3.2 在0.9Q～1.1Q工況，泵內(nèi)的壓力變化更加均勻，這表明在設(shè)計(jì)點(diǎn)附近，泵的流動(dòng)更加穩(wěn)定。而在1.2Q和1.3Q工況，在第八斷面附近，出現(xiàn)高壓流體和低壓流體交匯，流場分布不均勻，這表明泵在大流量區(qū)域流動(dòng)不穩(wěn)定。

3.3 應(yīng)用CFD技術(shù)能很好的分析離心泵的內(nèi)部流場。

參考文獻(xiàn)

[1]朱榮生，林鵬，王振偉，等.QW型高效節(jié)能潛污泵的多工況水力設(shè)計(jì)方法和雙密封室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)村水利水電，2012，05：113-116.

[2]施衛(wèi)東，蔣婷，曹衛(wèi)東，等.高揚(yáng)程無過載潛水排污泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27（5）：151-155.

[3]叢小青，袁壽其，袁丹青，等.無過載排污泵水力設(shè)計(jì)方法[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2003，21（4）：5-7.

[4]劉厚林，袁壽其，施衛(wèi)東，等.雙流道泵性能預(yù)測的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2003，19（4）：133-135.

[5]張德勝，施衛(wèi)東，陳斌，等.低比轉(zhuǎn)速離心泵內(nèi)部流場分析及試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26（11）：108-112.

[6]龍?jiān)疲鞓s生，付強(qiáng)等.核主泵小流量工況下不穩(wěn)定流動(dòng)數(shù)值模擬[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，32（4）：290-295.

作者簡介：鄭玉彬（1975-），男，工程師，主要從來事火力發(fā)電廠相關(guān)技術(shù)研究工作。endprint

摘 要：為研究CFD技術(shù)在離心泵內(nèi)部流場分析方面的應(yīng)用，通過三維軟件Pro/E對核主泵內(nèi)部流道進(jìn)行三維造型，基于雷諾時(shí)均N-S方程和k-ε湍流模型兩方程及SIMPLEC算法，應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)軟件CFX對泵進(jìn)行了定常數(shù)值模擬和分析。結(jié)果表明：由于蝸殼的擴(kuò)壓作用，在0.6Q～1.3Q泵的內(nèi)部壓力變化梯度明顯，從葉輪進(jìn)口向蝸殼出口方向，壓力逐漸增加。在0.9Q～1.1Q工況，泵內(nèi)的壓力變化更加均勻，這表明在設(shè)計(jì)點(diǎn)附近，泵的流動(dòng)更加穩(wěn)定。而在1.2Q和1.3Q工況，在第八斷面附近，出現(xiàn)高壓流體和低壓流體交匯，流場分布不均勻，這表明泵在大流量區(qū)域流動(dòng)不穩(wěn)定。應(yīng)用CFD技術(shù)能很好的分析離心泵的內(nèi)部流場。

關(guān)鍵詞：CFD；離心泵；數(shù)值模擬

隨著工業(yè)和城市化的進(jìn)一步發(fā)展，我國面臨著水污染嚴(yán)重，污水治理起步晚、基礎(chǔ)差、要求高的形勢，因此開發(fā)高效節(jié)能的排污泵能夠降低能耗，達(dá)到節(jié)能的效果，可以為國家?guī)砭薮蟮慕?jīng)濟(jì)效益[1]。

施衛(wèi)東[2]為實(shí)現(xiàn)低比轉(zhuǎn)速潛水排污泵高揚(yáng)程、高效率、無過載性能的統(tǒng)一，對WQS150-48-37型低比轉(zhuǎn)速潛水排污泵采用不同設(shè)計(jì)方法，經(jīng)優(yōu)化得出3種方案，應(yīng)用Pro/E軟件建模，結(jié)合Fluent軟件對3種方案進(jìn)行了多工況內(nèi)部流場分析和性能預(yù)測，并與外特性試驗(yàn)結(jié)果對比。叢小青[3]針對低比速排污泵軸功率曲線隨流量增大而增大這一特點(diǎn)，從理論上推導(dǎo)了排污泵產(chǎn)生無過載軸功率的條件，分析了主要幾何參數(shù)對揚(yáng)程曲線斜率的影響，給出了無過載排污泵水力設(shè)計(jì)中主要幾何參數(shù)的選擇原則和范圍，同時(shí)通過設(shè)計(jì)實(shí)例，闡述了無過載排污泵的設(shè)計(jì)方法。劉厚林[4]通過對雙流道泵葉輪和蝸殼里的水力損失、容積損失、機(jī)械損失的分析，提出了雙流道泵揚(yáng)程曲線、效率曲線的性能預(yù)測方法，分別給出了雙流道泵葉輪和蝸殼內(nèi)各種摩擦損失、擴(kuò)散損失，及主要局部損失的計(jì)算方法。張德勝[5]為了研究低比轉(zhuǎn)速離心泵內(nèi)部流動(dòng)特性，對10種不同設(shè)計(jì)方案的低比轉(zhuǎn)速離心泵進(jìn)行了數(shù)值模擬和性能預(yù)測，討論了葉輪和蝸殼的關(guān)鍵幾何參數(shù)對內(nèi)部流場和外特性的影響，分析了不同設(shè)計(jì)方案下泵內(nèi)的靜壓、流線、速度和湍動(dòng)能等分布，并針對復(fù)合式葉輪短葉片的分布位置和蝸殼喉部面積進(jìn)行了對比試驗(yàn)。

文章通過三維軟件Pro/E對核主泵內(nèi)部流道進(jìn)行三維造型，基于雷諾時(shí)均N-S方程和k-ε湍流模型兩方程及SIMPLEC算法，應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)軟件CFX對泵內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行定常數(shù)值模擬，旨在為泵的水力優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 數(shù)值計(jì)算方法

1.1 泵的基本參數(shù)

額定流量Q=1400m3/h，額定揚(yáng)程H=15m，轉(zhuǎn)速n=990r/min，比轉(zhuǎn)速ns=295，葉輪進(jìn)口直徑D1=330mm，葉輪外徑D2=430mm，進(jìn)行葉輪、泵體等水力部件設(shè)計(jì)。利用Pro/E軟件建立葉輪泵殼的幾何模型，主泵三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 網(wǎng)格及計(jì)算區(qū)域劃分

根據(jù)離心泵的流動(dòng)特性將流動(dòng)區(qū)域分為以下區(qū)域：靜止區(qū)1（進(jìn)口流道），靜止區(qū)2（壓水室），旋轉(zhuǎn)區(qū)（葉輪）。

為了獲得更穩(wěn)定的流態(tài)，延長一定程度的葉輪進(jìn)口段。在Workbench中對三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在確保網(wǎng)格的計(jì)算精度和計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，由于混合網(wǎng)格技術(shù)具有結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格兼有的優(yōu)點(diǎn)，并且生成方便、快速，采用自動(dòng)劃分法對計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對葉輪調(diào)整單元尺寸加密劃分，結(jié)果如下：進(jìn)口流道的網(wǎng)格數(shù)為202800，蝸殼網(wǎng)格數(shù)為538468，葉輪網(wǎng)格數(shù)為604378，網(wǎng)格質(zhì)量和網(wǎng)格無關(guān)性檢查良好。

1.3 控制方程

假定流體不可壓縮，則連續(xù)性方程為

（1）

動(dòng)量方程為

（2）

式中：p-平均靜壓；u'i-速度脈動(dòng)量；？籽-液體密度；ui-i方向的雷諾平均速度

標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程為

（3）

（4）

（5）

（6）

式中，μt為湍動(dòng)粘度；GK為湍動(dòng)能生成項(xiàng)；其余參數(shù)C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09，σε=1.3，σK=1.0。

1.4 計(jì)算方法及邊界條件

在流量一定時(shí)，為了得到更加準(zhǔn)確的速度和壓力梯度，進(jìn)口采用壓力進(jìn)口條件，出口采用質(zhì)量出流邊界條件。壁面采用無滑移壁面邊界條件。為了更好的處理流動(dòng)邊界層，在近壁區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。輸送介質(zhì)為清水。采用SIMPLEC算法實(shí)現(xiàn)速度和壓力之間的耦合。計(jì)算過程中的亞松弛因子均采用CFX軟件的默認(rèn)值，殘差收斂精度設(shè)置為10-5。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

為了便于后處理，更好地分析泵的內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)，建立一個(gè)垂直于旋轉(zhuǎn)軸的等值面A-A。

圖2為泵在0.6Q～1.3Q工況下的全流道靜壓圖。從圖中可以看出，在0.6Q～1.3Q泵的內(nèi)部壓力變化梯度明顯，從葉輪進(jìn)口向蝸殼出口方向，由于蝸殼的擴(kuò)壓作用，壓力逐漸增加。在各工況下，均存在三個(gè)區(qū)域的壓力梯度變化，主要是因?yàn)槿~輪葉片數(shù)為3個(gè)，對應(yīng)三個(gè)流道，隨著葉片對流體做功，流體不斷獲得能量，形成壓力梯度。在0.6Q工況，葉片進(jìn)口背面存在較為明顯的低壓區(qū)，主要因?yàn)樵谛×髁繀^(qū)域，流體在進(jìn)口區(qū)形成脫流，易造成泵在小流量運(yùn)行的不穩(wěn)定流動(dòng)[6]。在0.7Q～1.3Q工況，隨著流量的增加，進(jìn)口區(qū)域的低壓區(qū)逐漸減小。在0.9Q～1.1Q工況，泵內(nèi)的壓力變化更加均勻，這表明在設(shè)計(jì)點(diǎn)附近，泵的流動(dòng)更加穩(wěn)定。而在1.2Q和1.3Q工況，在第八斷面附近，出現(xiàn)高壓流體和低壓流體交匯，流場分布不均勻，這表明泵在大流量區(qū)域流動(dòng)不穩(wěn)定。

3 結(jié)束語

為研究CFD技術(shù)在離心泵內(nèi)部流場分析方面的應(yīng)用，通過三維軟件Pro/E對核主泵內(nèi)部流道進(jìn)行三維造型，基于雷諾時(shí)均N-S方程和k-ε湍流模型兩方程及SIMPLEC算法，應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)軟件CFX對泵進(jìn)行了定常數(shù)值模擬和分析。結(jié)果表明：

3.1 由于蝸殼的擴(kuò)壓作用，在0.6Q～1.3Q泵的內(nèi)部壓力變化梯度明顯，從葉輪進(jìn)口向蝸殼出口方向，壓力逐漸增加。

3.2 在0.9Q～1.1Q工況，泵內(nèi)的壓力變化更加均勻，這表明在設(shè)計(jì)點(diǎn)附近，泵的流動(dòng)更加穩(wěn)定。而在1.2Q和1.3Q工況，在第八斷面附近，出現(xiàn)高壓流體和低壓流體交匯，流場分布不均勻，這表明泵在大流量區(qū)域流動(dòng)不穩(wěn)定。

3.3 應(yīng)用CFD技術(shù)能很好的分析離心泵的內(nèi)部流場。

參考文獻(xiàn)

[1]朱榮生，林鵬，王振偉，等.QW型高效節(jié)能潛污泵的多工況水力設(shè)計(jì)方法和雙密封室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)村水利水電，2012，05：113-116.

[2]施衛(wèi)東，蔣婷，曹衛(wèi)東，等.高揚(yáng)程無過載潛水排污泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27（5）：151-155.

[3]叢小青，袁壽其，袁丹青，等.無過載排污泵水力設(shè)計(jì)方法[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2003，21（4）：5-7.

[4]劉厚林，袁壽其，施衛(wèi)東，等.雙流道泵性能預(yù)測的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2003，19（4）：133-135.

[5]張德勝，施衛(wèi)東，陳斌，等.低比轉(zhuǎn)速離心泵內(nèi)部流場分析及試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26（11）：108-112.

[6]龍?jiān)疲鞓s生，付強(qiáng)等.核主泵小流量工況下不穩(wěn)定流動(dòng)數(shù)值模擬[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，32（4）：290-295.

作者簡介：鄭玉彬（1975-），男，工程師，主要從來事火力發(fā)電廠相關(guān)技術(shù)研究工作。endprint

摘 要：為研究CFD技術(shù)在離心泵內(nèi)部流場分析方面的應(yīng)用，通過三維軟件Pro/E對核主泵內(nèi)部流道進(jìn)行三維造型，基于雷諾時(shí)均N-S方程和k-ε湍流模型兩方程及SIMPLEC算法，應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)軟件CFX對泵進(jìn)行了定常數(shù)值模擬和分析。結(jié)果表明：由于蝸殼的擴(kuò)壓作用，在0.6Q～1.3Q泵的內(nèi)部壓力變化梯度明顯，從葉輪進(jìn)口向蝸殼出口方向，壓力逐漸增加。在0.9Q～1.1Q工況，泵內(nèi)的壓力變化更加均勻，這表明在設(shè)計(jì)點(diǎn)附近，泵的流動(dòng)更加穩(wěn)定。而在1.2Q和1.3Q工況，在第八斷面附近，出現(xiàn)高壓流體和低壓流體交匯，流場分布不均勻，這表明泵在大流量區(qū)域流動(dòng)不穩(wěn)定。應(yīng)用CFD技術(shù)能很好的分析離心泵的內(nèi)部流場。

關(guān)鍵詞：CFD；離心泵；數(shù)值模擬

隨著工業(yè)和城市化的進(jìn)一步發(fā)展，我國面臨著水污染嚴(yán)重，污水治理起步晚、基礎(chǔ)差、要求高的形勢，因此開發(fā)高效節(jié)能的排污泵能夠降低能耗，達(dá)到節(jié)能的效果，可以為國家?guī)砭薮蟮慕?jīng)濟(jì)效益[1]。

施衛(wèi)東[2]為實(shí)現(xiàn)低比轉(zhuǎn)速潛水排污泵高揚(yáng)程、高效率、無過載性能的統(tǒng)一，對WQS150-48-37型低比轉(zhuǎn)速潛水排污泵采用不同設(shè)計(jì)方法，經(jīng)優(yōu)化得出3種方案，應(yīng)用Pro/E軟件建模，結(jié)合Fluent軟件對3種方案進(jìn)行了多工況內(nèi)部流場分析和性能預(yù)測，并與外特性試驗(yàn)結(jié)果對比。叢小青[3]針對低比速排污泵軸功率曲線隨流量增大而增大這一特點(diǎn)，從理論上推導(dǎo)了排污泵產(chǎn)生無過載軸功率的條件，分析了主要幾何參數(shù)對揚(yáng)程曲線斜率的影響，給出了無過載排污泵水力設(shè)計(jì)中主要幾何參數(shù)的選擇原則和范圍，同時(shí)通過設(shè)計(jì)實(shí)例，闡述了無過載排污泵的設(shè)計(jì)方法。劉厚林[4]通過對雙流道泵葉輪和蝸殼里的水力損失、容積損失、機(jī)械損失的分析，提出了雙流道泵揚(yáng)程曲線、效率曲線的性能預(yù)測方法，分別給出了雙流道泵葉輪和蝸殼內(nèi)各種摩擦損失、擴(kuò)散損失，及主要局部損失的計(jì)算方法。張德勝[5]為了研究低比轉(zhuǎn)速離心泵內(nèi)部流動(dòng)特性，對10種不同設(shè)計(jì)方案的低比轉(zhuǎn)速離心泵進(jìn)行了數(shù)值模擬和性能預(yù)測，討論了葉輪和蝸殼的關(guān)鍵幾何參數(shù)對內(nèi)部流場和外特性的影響，分析了不同設(shè)計(jì)方案下泵內(nèi)的靜壓、流線、速度和湍動(dòng)能等分布，并針對復(fù)合式葉輪短葉片的分布位置和蝸殼喉部面積進(jìn)行了對比試驗(yàn)。

文章通過三維軟件Pro/E對核主泵內(nèi)部流道進(jìn)行三維造型，基于雷諾時(shí)均N-S方程和k-ε湍流模型兩方程及SIMPLEC算法，應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)軟件CFX對泵內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行定常數(shù)值模擬，旨在為泵的水力優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 數(shù)值計(jì)算方法

1.1 泵的基本參數(shù)

額定流量Q=1400m3/h，額定揚(yáng)程H=15m，轉(zhuǎn)速n=990r/min，比轉(zhuǎn)速ns=295，葉輪進(jìn)口直徑D1=330mm，葉輪外徑D2=430mm，進(jìn)行葉輪、泵體等水力部件設(shè)計(jì)。利用Pro/E軟件建立葉輪泵殼的幾何模型，主泵三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 網(wǎng)格及計(jì)算區(qū)域劃分

根據(jù)離心泵的流動(dòng)特性將流動(dòng)區(qū)域分為以下區(qū)域：靜止區(qū)1（進(jìn)口流道），靜止區(qū)2（壓水室），旋轉(zhuǎn)區(qū)（葉輪）。

為了獲得更穩(wěn)定的流態(tài)，延長一定程度的葉輪進(jìn)口段。在Workbench中對三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在確保網(wǎng)格的計(jì)算精度和計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，由于混合網(wǎng)格技術(shù)具有結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格兼有的優(yōu)點(diǎn)，并且生成方便、快速，采用自動(dòng)劃分法對計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對葉輪調(diào)整單元尺寸加密劃分，結(jié)果如下：進(jìn)口流道的網(wǎng)格數(shù)為202800，蝸殼網(wǎng)格數(shù)為538468，葉輪網(wǎng)格數(shù)為604378，網(wǎng)格質(zhì)量和網(wǎng)格無關(guān)性檢查良好。

1.3 控制方程

假定流體不可壓縮，則連續(xù)性方程為

（1）

動(dòng)量方程為

（2）

式中：p-平均靜壓；u'i-速度脈動(dòng)量；？籽-液體密度；ui-i方向的雷諾平均速度

標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程為

（3）

（4）

（5）

（6）

式中，μt為湍動(dòng)粘度；GK為湍動(dòng)能生成項(xiàng)；其余參數(shù)C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09，σε=1.3，σK=1.0。

1.4 計(jì)算方法及邊界條件

在流量一定時(shí)，為了得到更加準(zhǔn)確的速度和壓力梯度，進(jìn)口采用壓力進(jìn)口條件，出口采用質(zhì)量出流邊界條件。壁面采用無滑移壁面邊界條件。為了更好的處理流動(dòng)邊界層，在近壁區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。輸送介質(zhì)為清水。采用SIMPLEC算法實(shí)現(xiàn)速度和壓力之間的耦合。計(jì)算過程中的亞松弛因子均采用CFX軟件的默認(rèn)值，殘差收斂精度設(shè)置為10-5。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

為了便于后處理，更好地分析泵的內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)，建立一個(gè)垂直于旋轉(zhuǎn)軸的等值面A-A。

圖2為泵在0.6Q～1.3Q工況下的全流道靜壓圖。從圖中可以看出，在0.6Q～1.3Q泵的內(nèi)部壓力變化梯度明顯，從葉輪進(jìn)口向蝸殼出口方向，由于蝸殼的擴(kuò)壓作用，壓力逐漸增加。在各工況下，均存在三個(gè)區(qū)域的壓力梯度變化，主要是因?yàn)槿~輪葉片數(shù)為3個(gè)，對應(yīng)三個(gè)流道，隨著葉片對流體做功，流體不斷獲得能量，形成壓力梯度。在0.6Q工況，葉片進(jìn)口背面存在較為明顯的低壓區(qū)，主要因?yàn)樵谛×髁繀^(qū)域，流體在進(jìn)口區(qū)形成脫流，易造成泵在小流量運(yùn)行的不穩(wěn)定流動(dòng)[6]。在0.7Q～1.3Q工況，隨著流量的增加，進(jìn)口區(qū)域的低壓區(qū)逐漸減小。在0.9Q～1.1Q工況，泵內(nèi)的壓力變化更加均勻，這表明在設(shè)計(jì)點(diǎn)附近，泵的流動(dòng)更加穩(wěn)定。而在1.2Q和1.3Q工況，在第八斷面附近，出現(xiàn)高壓流體和低壓流體交匯，流場分布不均勻，這表明泵在大流量區(qū)域流動(dòng)不穩(wěn)定。

3 結(jié)束語

為研究CFD技術(shù)在離心泵內(nèi)部流場分析方面的應(yīng)用，通過三維軟件Pro/E對核主泵內(nèi)部流道進(jìn)行三維造型，基于雷諾時(shí)均N-S方程和k-ε湍流模型兩方程及SIMPLEC算法，應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)軟件CFX對泵進(jìn)行了定常數(shù)值模擬和分析。結(jié)果表明：

3.1 由于蝸殼的擴(kuò)壓作用，在0.6Q～1.3Q泵的內(nèi)部壓力變化梯度明顯，從葉輪進(jìn)口向蝸殼出口方向，壓力逐漸增加。

3.2 在0.9Q～1.1Q工況，泵內(nèi)的壓力變化更加均勻，這表明在設(shè)計(jì)點(diǎn)附近，泵的流動(dòng)更加穩(wěn)定。而在1.2Q和1.3Q工況，在第八斷面附近，出現(xiàn)高壓流體和低壓流體交匯，流場分布不均勻，這表明泵在大流量區(qū)域流動(dòng)不穩(wěn)定。

3.3 應(yīng)用CFD技術(shù)能很好的分析離心泵的內(nèi)部流場。

參考文獻(xiàn)

[1]朱榮生，林鵬，王振偉，等.QW型高效節(jié)能潛污泵的多工況水力設(shè)計(jì)方法和雙密封室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)村水利水電，2012，05：113-116.

[2]施衛(wèi)東，蔣婷，曹衛(wèi)東，等.高揚(yáng)程無過載潛水排污泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27（5）：151-155.

[3]叢小青，袁壽其，袁丹青，等.無過載排污泵水力設(shè)計(jì)方法[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2003，21（4）：5-7.

[4]劉厚林，袁壽其，施衛(wèi)東，等.雙流道泵性能預(yù)測的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2003，19（4）：133-135.

[5]張德勝，施衛(wèi)東，陳斌，等.低比轉(zhuǎn)速離心泵內(nèi)部流場分析及試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26（11）：108-112.

[6]龍?jiān)?，朱榮生，付強(qiáng)等.核主泵小流量工況下不穩(wěn)定流動(dòng)數(shù)值模擬[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，32（4）：290-295.

作者簡介：鄭玉彬（1975-），男，工程師，主要從來事火力發(fā)電廠相關(guān)技術(shù)研究工作。endprint