離心泵蝸殼效應(yīng)數(shù)值模擬與分析

王曉彬

(珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070)

當(dāng)飛機(jī)非常接近地面飛行時(shí)，因地面的存在，迫使繞過飛機(jī)擾動(dòng)的氣流方向朝著平行于地面的方向改變，致使飛機(jī)的繞流場(chǎng)不同于無地面的情況，因此作用在飛機(jī)上的氣動(dòng)力也發(fā)生改變，這種現(xiàn)象稱為地面效應(yīng)[1]。

離心泵的蝸殼也具有同樣的作用，當(dāng)葉輪沒有蝸殼導(dǎo)流時(shí)，流體的流動(dòng)方向不會(huì)發(fā)生改變。當(dāng)葉輪外側(cè)有蝸殼覆蓋時(shí)，流體會(huì)沿著蝸殼流向蝸殼出口，并轉(zhuǎn)化部分動(dòng)壓為靜壓.蝸殼內(nèi)的流動(dòng)十分復(fù)雜。流體在沿著蝸殼流動(dòng)的同時(shí)，不斷有流體從葉輪進(jìn)入蝸殼，即流體一面流動(dòng)一面混合。此外，葉輪出口流體的不均勻性和流體黏性的影響使蝸殼內(nèi)的流動(dòng)更加復(fù)雜。蝸殼不僅直接關(guān)系到蝸殼內(nèi)的流動(dòng)損失，還對(duì)葉輪的性能有反影響[2]，因此研究離心泵蝸殼效應(yīng)是非常有必要的。

本文利用數(shù)值模擬的方法，從二維離心泵蝸殼出發(fā)，研究離心泵蝸殼內(nèi)流動(dòng)特性的變化規(guī)律與形成的機(jī)理。

1 物理模型與計(jì)算方法

本文選取某離心泵進(jìn)行研究，葉輪直徑700mm，輪轂直徑350mm，葉片數(shù)為6，轉(zhuǎn)速為1470r/min。

利用FLUENT軟件求解定常不可壓縮流動(dòng)的Navier-Stokes方程[1]。

連續(xù)性方程：

動(dòng)量方程(雷諾平均運(yùn)動(dòng)方程)：

為了保證方程組封閉，引入標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程模型：

式中的k和ε由下面兩個(gè)方程求出：

式中經(jīng)驗(yàn)常數(shù)Ck=0.09～0.11[3]。

式中經(jīng)驗(yàn)常數(shù)Cε=0.07～0.09，Cε1=1.41～1.45，Cε2=1.9～1.92[3]。

解得k和ε后代入

式中Cμ=0.09[3]。此時(shí)方程組封閉可求解。

對(duì)模型進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，共有2個(gè)網(wǎng)格區(qū)域，10個(gè)面，節(jié)點(diǎn)數(shù)有41551個(gè)，網(wǎng)格單元有79998個(gè)，最大長(zhǎng)寬比5.10。網(wǎng)格劃分之后如圖1所示。

計(jì)算采用壓力速度耦合半隱式求解?？臻g離散格式采用SIMPLE二階迎風(fēng)格式，邊界條件為進(jìn)口流量及出口平均壓強(qiáng)[4]。

圖1 離心泵葉輪及蝸殼網(wǎng)格模型

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

利用FLUENT軟件對(duì)離心泵進(jìn)行分析后，導(dǎo)出速度云圖和總壓云圖如圖2和圖3所示。

由圖中可以看到離心泵中葉輪的總壓是非對(duì)稱性的，越靠近蝸殼出口處壓力越小，而葉輪的速度云圖是對(duì)稱性的，由于蝸殼的存在，導(dǎo)致蝸殼的近壁面附近液體速度非常小，并且沿著蝸殼壁面到達(dá)蝸殼出口，同時(shí)速度因?yàn)槿~輪的轉(zhuǎn)動(dòng)而逐漸增大。而對(duì)于流場(chǎng)總壓來說，由于蝸殼的作用，導(dǎo)致液流在壁面處動(dòng)壓轉(zhuǎn)化為靜壓，所以蝸殼壁面處受到的靜壓比較大(見圖4)，隨著蝸殼與葉輪的距離逐漸增大，由于水力的損失，總壓和靜壓也隨之減小。

圖2 某離心泵二維流場(chǎng)的總壓云圖

根據(jù)模型分析，還需要值得注意的是，蝸殼出口離葉輪出口最近位置附近存在低壓區(qū)，導(dǎo)致流體

圖3 某離心泵二維流場(chǎng)的速度云圖

圖4 某離心泵二維流場(chǎng)的靜壓云圖

圖5 某離心泵二維流場(chǎng)的速度矢量圖

在此處產(chǎn)生回流，如圖5所示。這樣會(huì)對(duì)流體正常流出造成阻礙，產(chǎn)生能量損失。在離心泵設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)此處進(jìn)行優(yōu)化，減小能量損失。

3 結(jié)論

本文利用FLUENT軟件對(duì)某離心泵進(jìn)行數(shù)值模擬分析，根據(jù)數(shù)值結(jié)果和分析，可以得出以下結(jié)論：離心泵的葉輪的速度場(chǎng)是對(duì)稱性的，但總壓云圖是非對(duì)稱性的，這樣會(huì)影響到離心泵蝸殼的穩(wěn)定性；蝸殼與葉輪距離較近的壁面會(huì)受到流體較大的沖擊，隨著蝸殼與葉輪的距離逐漸增大，以及流體在流動(dòng)過程產(chǎn)生一定的損耗，蝸殼的壁面受到的壓力會(huì)逐漸減??；蝸殼出口離葉輪出口最近的區(qū)域存在低壓區(qū)，造成流體回流，對(duì)流體的損耗造成影響。研究?jī)?nèi)容對(duì)離心泵的蝸殼的優(yōu)化和改進(jìn)具有一定的指導(dǎo)意義。

[1] 秦緒國(guó)，劉沛清，屈秋林，等.多段翼地面效應(yīng)數(shù)值模擬與分析.航空動(dòng)力學(xué)報(bào)[J].2011,4(26)：890-896

[2] 成心德.離心通風(fēng)機(jī)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006

[3] 林建忠，阮曉東，陳邦國(guó)，等.流體力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005

[4] 譚宗柒，葉惠軍，李燦燦.基于Fluent的離心泵二維流場(chǎng)數(shù)值模擬[J].三峽大學(xué)學(xué)報(bào)，2011,6(33)：54-56

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