分流葉片對微型離心式風(fēng)泵性能影響的數(shù)值研究

張 雷，楊決寬，畢可東，李正偉

(1東南大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 南京 211189)

(2.博西華(電器)南京有限公司，江蘇 南京 210046)

分流葉片對微型離心式風(fēng)泵性能影響的數(shù)值研究

張 雷1，楊決寬1，畢可東1，李正偉2

(1東南大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 南京 211189)

(2.博西華(電器)南京有限公司，江蘇 南京 210046)

為了研究分流葉片對微型離心式風(fēng)泵性能的影響，對現(xiàn)有葉輪模型進行了流體力學(xué)數(shù)值研究。采用Realizedk-ε湍流模型和SIMPLE算法，研究分流葉片的周向位置、長度、傾角以及長短葉片數(shù)等參數(shù)對離心式風(fēng)泵性能的影響。在額定轉(zhuǎn)速為5 500r/min且風(fēng)量風(fēng)壓曲線的實驗結(jié)果和計算結(jié)果吻合較好的情況下，對其進行了優(yōu)化。仿真結(jié)果表明，對于現(xiàn)有葉輪模型，當(dāng)分流葉片處于長葉片間周向位置4時、分流葉片進口直徑Ds為葉輪外徑Do的0.75倍 、分流葉片內(nèi)部斜邊與離心式風(fēng)泵軸線夾角為12.5°時，離心式風(fēng)泵的性能較為優(yōu)異。此外，計算結(jié)果還表明，在現(xiàn)有模型中，對分流葉片幾何參數(shù)進行優(yōu)化，長短葉片數(shù)目均為11時，該離心式風(fēng)泵的性能有較明顯的改善。

離心式風(fēng)泵；分流葉片；湍流；計算流體力學(xué)

離心葉輪機械廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，對于離心式風(fēng)泵高效率的追求，使得加入短葉片作為分流葉片的離心葉輪也得到廣泛應(yīng)用。分流葉片能減少離心葉輪葉片進口處的擁堵，進而改善葉輪內(nèi)部的流場分布，提高葉輪壓比，減少分離損失。但國內(nèi)主要是應(yīng)用帶分流葉片的離心式風(fēng)泵，對其系統(tǒng)且深入的研究還比較少。近年來，隨著計算流體力學(xué)(CFD)的發(fā)展，數(shù)值模擬計算在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用，泵行業(yè)也不例外。CFD技術(shù)的快速發(fā)展為深入研究離心式風(fēng)泵內(nèi)部流場和性能的影響機理提供了有力支撐，正日益成為一種重要的技術(shù)手段。郝開元等[1]采用CFD技術(shù)研究離心壓縮機整機性能優(yōu)化設(shè)計方法，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)的方法改善了該離心壓縮機。王偉等[2]利用商用軟件ANSYS-CFX，以離心壓縮機為研究對象，采用三維定常與非定常計算方法，得到該葉輪的性能曲線和內(nèi)部流場的基本特征。呂為等[3]針對風(fēng)機葉輪內(nèi)流動損失問題,設(shè)計加工了4種不同型式的葉片，并通過試驗對比分析了各型式葉片對風(fēng)機氣動性能的影響。蘭江等[4]以離心式空氣壓縮機為研究對象，對其葉輪內(nèi)部三維流場進行數(shù)值模擬計算，結(jié)果表明分流葉片可以不同程度提高壓縮機整體性能，最大可提高效率2%以上。徐潔等[5]應(yīng)用奇點分布法對長、短葉片離心式風(fēng)泵葉輪內(nèi)部流場及長、短葉片的相互干擾進行了數(shù)值研究，提出了帶分流葉片離心葉輪內(nèi)部流場的數(shù)學(xué)模型。Cui等[6]采用數(shù)值計算方法分析了帶有長、中、短葉片的離心式風(fēng)泵內(nèi)部流場分布，得到了葉輪內(nèi)回流區(qū)域的具體位置。袁壽其、陽誠武等[7-9]通過正交實驗和CFD等方法分析了分流葉片數(shù)、分流葉片偏置度、進口位置、偏轉(zhuǎn)角和固定位置對離心式風(fēng)泵性能的影響。

1 模型的驗證

近年來，由于微型離心式風(fēng)泵的應(yīng)用越來越廣，使得國內(nèi)外學(xué)者紛紛對帶有分流葉片的微型離心式風(fēng)泵進行分析研究。Wu等[10]采用PIV實驗測量方法得到了微型離心式風(fēng)泵的內(nèi)部流場。T. Shigemitsu等[11-13]采用數(shù)值計算方法研究了帶有分流葉片微型離心式風(fēng)泵的內(nèi)部不穩(wěn)定流場，并分析了葉片出口安裝角以及葉片厚度對其性能的影響。這些研究為帶分流葉片的微型離心式風(fēng)泵數(shù)值計算以達到優(yōu)化其性能提供了理論依據(jù)和參考。

本文采用數(shù)值模擬方法，計算分析了分流葉片周向位置分布，分流葉片的長度、傾角及長短葉片數(shù)等參數(shù)對微型離心式風(fēng)泵內(nèi)部流場及性能的影響。數(shù)值模擬所采用的Fluent軟件包主要包括：前處理器Gambit、求解器Fluent、后處理器Fluent或Tecplot。前處理器Gambit具有前處理建模和劃分網(wǎng)格的功能，求解器Fluent是核心部分。研究對象為長短葉片微型離心式風(fēng)泵，其葉輪主要設(shè)計參數(shù)為：長葉片和分流葉片各9片,葉輪轉(zhuǎn)速5 500r/min。葉輪的基本尺寸見表1。本文模擬計算風(fēng)泵總壓為250Pa時離心式風(fēng)泵的出口流量。圖1，2分別是泵體結(jié)構(gòu)和葉輪結(jié)構(gòu)示意圖。

計算模型用三維制圖軟件Pro/E建模，然后應(yīng)用ICEM CFD網(wǎng)格功能劃分非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，單元總數(shù)目為600萬。Fluent求解是采用Realizedk-ε湍流模型和SIMPLE算法進行模擬計算?？蓜訁^(qū)域使用MRF(MovingReferenceFrame)模型，葉輪為可動區(qū)域假定靜止時的可動邊界，其他壁面是靜止的，近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。邊界條件按照給定的總壓設(shè)定壓力入口以及壓力出口。當(dāng)各速度分量及k,ε的計算殘差下降到1×10-3以下時，認為計算已經(jīng)收斂。

圖3為微型離心式風(fēng)泵的風(fēng)量風(fēng)壓實驗示意圖，在關(guān)閉進氣口情況下啟動電動機，待運轉(zhuǎn)正常且未發(fā)現(xiàn)異常后進行各項測試。本實驗是針對葉輪轉(zhuǎn)速為5 500r/min情況下的風(fēng)量風(fēng)壓曲線，通過調(diào)節(jié)孔板流量計改變離心式風(fēng)泵風(fēng)量(Q=10.0m3/h、20.0m3/h、30.0m3/h、40.0m3/h、42.8m3/h)測得出口處的風(fēng)壓，每個風(fēng)量下測20次風(fēng)壓,最后取平均值。圖4是計算結(jié)果與實驗值的比較，從表2可以看出，實驗所測的風(fēng)量風(fēng)壓曲線與模擬計算所得曲線有所偏差，但總體趨勢較吻合，前面4個流量工況試驗風(fēng)壓與計算風(fēng)壓的相對誤差都小于9%，由于最后一個流量工況不是此風(fēng)泵正常工作的工況，故這個工況下的試驗計算相對誤差值沒有任何意義，因此所采用的理論計算模型和邊界條件用于此微型離心式風(fēng)泵的模擬計算是可行的。出現(xiàn)偏差的原因可能是理論計算模型不完全符合風(fēng)泵內(nèi)的流動，而是實際流動過程的近似。

2 計算結(jié)果及分析

2.1分流葉片周向位置的影響

圖5中葉輪模型是長葉片位置不變、分流葉片位置不同的葉輪，6個位置按照相同角度依次從壓力面向吸力面偏移。計算模擬時，長葉片位置不變，分流葉片分別處于圖中的2個長葉片間的6個位置，7個長短葉片相鄰兩葉片間距相等。圖6給出了風(fēng)泵出口流量隨著分流葉片周向位置變化的曲線，隨著分流葉片從靠近長葉片壓力面向長葉片吸力面偏置時,在位置4處風(fēng)泵的流量最大。袁壽其等[8]也認為分流葉片偏置負壓力面能有效提高離心式風(fēng)泵性能，認為偏置壓力面能有效抑制分流葉片相鄰流道內(nèi)流量不等、速度不均勻現(xiàn)象，從而改善了離心式風(fēng)泵性能。從圖7中可以看出，在某一時刻t風(fēng)泵內(nèi)部存在不同程度的湍流區(qū)域，如位置1(下同)，由圖可見，靠近蝸殼出口處的渦區(qū)Ⅰ、渦區(qū)Ⅱ、渦區(qū)Ⅲ湍流強度最為劇烈。分流葉片在從位置1偏向位置6的過程中，主要湍動區(qū)域也由渦區(qū)Ⅲ向渦區(qū)Ⅱ和渦區(qū)Ⅰ移動；從圖7還可以看出，渦區(qū)Ⅱ?qū)τ嬎懔髁康挠绊懸葴u區(qū)Ⅰ大。當(dāng)分流葉片處于位置4時，盡管主要湍動區(qū)域集中在渦區(qū)Ⅱ，但是由于湍動強度的數(shù)值相比其他5個位置要低，流道內(nèi)速度也相對其他位置更平均，從而使得風(fēng)泵流量得以提升。

2.2分流葉片入口邊緣處傾角的影響

如圖8所示，葉輪分流葉片入口邊緣與葉輪軸線成一定的夾角，在其他條件(分流葉片周向位置、入口直徑)不變的情況下，本文對離心式風(fēng)泵流量隨葉輪分流葉片入口邊緣與葉輪軸線間夾角變化情況進行數(shù)值仿真。圖9中給出了計算風(fēng)量隨分流葉片入口邊緣傾角變化的曲線，從圖中可以看出，離心風(fēng)泵流量在夾角為5°以后增幅不明顯，夾角為12.5°時離心式風(fēng)泵的流量最高；通過對分流葉片入口邊緣夾角不同時葉輪中間截面的湍動強度對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)夾角為0°時，葉輪內(nèi)部湍動最為劇烈。

2.3分流葉片長度的影響

如圖5所示，分流葉片的入口直徑為Ds，葉輪外徑為Do，令i=Ds/Do。分流葉片周向位置分布、分流葉片入口邊緣傾角都保持不變，模擬不同的分流葉片入口直徑Ds對其計算流量的影響。從圖10可以看出，隨著入口直徑的增加，計算流量也隨之增大，當(dāng)入口直徑Ds為葉輪外徑Do的0.75倍時，計算流量達到最大值。隨后，由于分流葉片直徑過大，導(dǎo)致長短葉片間流道堵塞，摩擦力增大，使得風(fēng)泵出口流量降低。對比圖11中速度云圖可以明顯看出，當(dāng)入口直徑Ds為葉輪外徑Do的0.75倍時，其分流葉片兩側(cè)的速度場相比其他幾種葉輪模型更平均，內(nèi)部流動更加平順，因此具有此葉輪模型的風(fēng)泵性能最佳。

2.4葉片數(shù)目的影響

現(xiàn)有模型中，長短葉片數(shù)目均為9。為研究葉片數(shù)目對風(fēng)機性能的影響，本文模擬計算了長短葉片數(shù)目為7，9，11，13的葉輪模型，4種模型中分流葉片各幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)均保持一致。計算結(jié)果如圖12所示，在同一流量下，當(dāng)葉片數(shù)為7時，其計算總壓明顯低于其他幾種模型的計算總壓，這是因為當(dāng)葉片數(shù)過少時，葉片做功能力降低，流道的開放盡管減少了葉片與流道間的摩擦，但是也導(dǎo)致了分離損失的加劇，從而使得風(fēng)壓降低，降低了風(fēng)泵的性能。從圖12中還可以看出，當(dāng)長短葉片數(shù)為11時，風(fēng)泵性能最佳；當(dāng)葉片數(shù)目增加到13時，盡管葉片數(shù)目的增加增強了葉片的做功能力，但由于流道的狹窄使得摩擦損失增大反而降低了風(fēng)泵的性能。此外，從圖13中對比4種不同葉片數(shù)葉輪模型效率-流量曲線可以得出，在該風(fēng)泵最佳工況(15m3/h～25m3/h)條件下，長短葉片數(shù)為11的葉輪效率也是最大，由于內(nèi)部流動更平均，各類流動損耗最小，因此具有最好的綜合性能。

3 結(jié)論

本文以微型離心式風(fēng)泵為研究對象，通過對其葉輪進行三維流場數(shù)值模擬，從分析風(fēng)泵出口流量來研究分流葉片的周向位置、長度、傾角以及長短葉片數(shù)等參數(shù)對離心式風(fēng)泵性能的影響，為對微型離心式風(fēng)泵工程應(yīng)用的優(yōu)化設(shè)計提供了一些理論指導(dǎo)，得到如下結(jié)論：

a.分流葉片的周向位置分布會引起葉輪流道內(nèi)不同程度的湍動。數(shù)值模擬結(jié)果表明，離心式風(fēng)泵的流量隨著分流葉片從大葉片壓力面向大葉片吸力面偏置時而逐漸增大。當(dāng)分流葉片處于位置4時，盡管主要湍動區(qū)域集中在渦區(qū)Ⅱ，但是由于湍動強度的數(shù)值相比其他5個位置風(fēng)泵內(nèi)的湍流強度要低，從而使得風(fēng)泵流量得以提升；但隨分流葉片繼續(xù)偏置至位置5時，推測由于葉輪內(nèi)部主要渦區(qū)Ⅱ的影響，使得風(fēng)泵流量降低。

b.分流葉片入口邊緣處傾角的不同也會影響風(fēng)泵的性能。仿真結(jié)果表明，該離心式風(fēng)泵流量在分流葉片入口邊緣與葉輪軸線間夾角為5°以后增幅不明顯，在夾角為12.5°時，風(fēng)泵出口流量最高。

c.分流葉片隨著入口直徑的增加，計算流量也隨之增大。當(dāng)入口直徑Ds為葉輪外徑Do的0.75倍時，計算流量達到最大。分流葉片入口直徑繼續(xù)增大導(dǎo)致長短葉片間流道堵塞、摩擦力增大，進而降低風(fēng)泵的性能。

d.當(dāng)分流葉片的周向位置、入口邊緣傾角以及分流葉片長度分別取模擬最優(yōu)值時，改變長短葉片數(shù)目，計算模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)長短葉片數(shù)目增至11時，葉輪性能最佳；但當(dāng)繼續(xù)增加葉片數(shù)目時，由于流道變窄引起摩擦增加，導(dǎo)致風(fēng)泵性能下降。

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Numerical calculation of effects of splitter blades in performance of a mini-centrifugal fan pump

ZHANG Lei1, YANG Junkuan1, BI Kedong1, LI Zhengwei2

(1.School of Mechanical Engineering, Southeast University, Jiangsu Nanjing, 211189 China)

(2.Nanjing BSH Home Appliances Co., Ltd, Jiangsu Nanjing, 210046, China)

In order to investigate the effect of splitter blades in performance of a mini-centrifugal fan pump, it establishes numerical model based on CFD. It applies the Realized-k-ε turbulence model and SIMPLE algorithm to study the effects of the circumferential position, the length, and the tilt angle of splitter blades on the pump performance. P-Q curve of fan pump under experiment matches well with that under simulation at 5500r/min. Simulation results show that the performance of the centrifugal fan pump would be improved apparently for this fan model in three cases. One is that splitter blades are placed position4 between two long blades. The second case is that the ratio of the inlet diameter of splitter blades to the impeller outer diameter is 0.75. The third case is that the angle between the inside edge of splitter blades and the axis of the pump is 12.5°. It demonstrates that the optimized number of both long blades and splitter blades are 11 for this fan model based on the geometrical parameters optimization of splitter blades.

centrifugal pump; splitter blade; turbulent flow; CFD

10.3969/j.issn.2095-509X.2015.04.009

2015-01-08

張雷(1988—)，男，江蘇靖江人，東南大學(xué)碩士研究生，主要研究方向為機械設(shè)計及理論、流體機械。

TH42.43

A

2095-509X(2015)04-0035-05