數(shù)值模擬在離心泵性能研究中的應用進展

黨明巖，王復興

(沈陽理工大學 環(huán)境與化學工程學院，遼寧 沈陽 110159)

0 引言

離心泵是化工生產(chǎn)中常用的一種流體輸送機械，它結(jié)構(gòu)簡單、體積小、流量大、重量輕，常被用于不同壓力、不同黏度的液體物料輸送.在對離心泵的性能研究中，通常需要大量的實驗數(shù)據(jù)才能繪制出其性能曲線.計算流體力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)是計算機科學和流體力學相互融合的一門新興交叉學科.近些年來，隨著CFD軟件的發(fā)展，數(shù)值模擬為離心泵的性能分析提供了新的方式.在CFD商用軟件中，Ansys軟件獨占鰲頭.目前，Ansys軟件在國內(nèi)外的應用范圍越來越大，基于Ansys對化工設備進行數(shù)值模擬已經(jīng)成為很多研究者經(jīng)常采用的研究方法.

本文結(jié)合國內(nèi)外學者采用Ansys軟件對離心泵進行數(shù)值分析的研究現(xiàn)狀，總結(jié)了數(shù)值分析過程中湍流模型的選取及數(shù)值分析方法在離心泵性能研究中的發(fā)展現(xiàn)狀.

1 離心泵內(nèi)流場湍流模型的選用

湍流模型的選取對數(shù)值模擬的精確性有重要的影響.在Ansys的湍流模型中，包含了低Reynolds數(shù)Wilcox模型、微分Reynolds應力模型、κ-ε模型、低Reynolds數(shù)κ-ε模型、微分Reynolds通量模型、代數(shù)Reynolds應力模型、大渦模型和SST模型.其中，κ-ε模型本身具有經(jīng)濟性、穩(wěn)定性及較高的計算精度，在模型的選用中應用最廣.在湍流模型的選取上，張絨[1]等應用Navier-Stokes方程(N-S方程)與標準κ-ε湍流模型對不同工況下二級離心泵內(nèi)部的三維湍流流動進行了數(shù)值模擬，并對其內(nèi)部的流動狀態(tài)進行了分析，得到了離心泵內(nèi)部流場的壓力分布規(guī)律.汪正陽[2]等基于Rayleigh-Plesset方程的輸運空化模型,選用標準κ-ε湍流模型模擬了離心泵內(nèi)流場空化特性.標準κ-ε湍流模型在旋流等非均勻湍流問題分析中存在較大的誤差，后來人們引入了RNG κ-ε湍流模型.標準κ-ε模型屬于高雷諾數(shù)模型，但是改進后的RNG κ-ε湍流模型能夠計算低雷諾數(shù)效應.剪切應力運輸κ-ε模型簡稱為SST κ-ε模型，因為在湍流運算黏度中考慮了湍流剪切應力，所以適用性更加廣泛.

廉益超[3]等結(jié)合RNG κ-ε湍流模型, 采用雷諾時均方法分析了導葉時序?qū)Ρ脡毫γ}動、能量性能、葉片載荷方面的影響.劉媛媛[4]等采用改進的Kubota空化模型和RNG κ-ε湍流模型對空化流動進行了數(shù)值求解.趙偉國[5]等利用Kubota 空化模型及修正過的SST κ-ε湍流模型，對不同空化數(shù)下的離心泵內(nèi)流場結(jié)構(gòu)進行非定常與定?？栈M.Gamal R H[6]等采用標準κ-ε和RNG κ-ε湍流模型分析了葉片數(shù)目對離心泵的影響.羅興锜[7]等基于歐拉-拉非均相流模型及SST 湍流模型，求解氣液兩相流離心泵的三維湍流流場.

根據(jù)離心泵不同的操作特性，可選用更具有針對性的湍流模型，但是每種湍流模型都有其優(yōu)缺點，選用不同的湍流模型后，產(chǎn)生的計算結(jié)果可能會存在一定差異.根據(jù)不同的湍流模型對離心泵的適用性，分析不同的湍流模型在離心泵設計研究中的應用，研究其流場的內(nèi)部流動和性能的變化情況，從而改善離心泵性能，提高離心泵的效率.

2 數(shù)值模擬在離心泵機械性能研究中的應用

數(shù)值模擬主要應用于離心泵的流場模擬和零部件的優(yōu)化設計等方面，以下從幾個方面對數(shù)值模擬方法在離心泵性能研究中的應用進行綜述.

2.1 數(shù)值模擬在葉輪對離心泵性能的影響中的應用

葉輪是離心泵的核心部件，在離心泵的設計研究上，為了實現(xiàn)多級離心泵的小型化及性能的改進，Ming Guo[8]等重新設計葉片、葉輪和擴散器等，并采用Ansys-CFX對離心泵模型進行了數(shù)值模擬，通過模擬實驗可知，新設計的離心泵具有更高的效率和更平滑的內(nèi)部流動特性，這意味著多級泵模型的性能得到了改善，也實現(xiàn)了小型化.在串聯(lián)葉片對離心泵的影響方面，Xiaobing Shi[9]等提出了一種改善離心泵的內(nèi)部流動特性和整體性能的新方法，利用SST κ-ε湍流模型，對帶有串聯(lián)葉片的離心泵中的三維湍流場進行了模擬和分析，研究了串聯(lián)葉片對離心泵內(nèi)部流量和性能特性的影響，比較了串聯(lián)葉片式葉輪與常規(guī)單排葉片式葉輪的預測速度、壓力分布、流動特性.結(jié)果表明，離心式串聯(lián)葉片式葉輪在葉輪排出流的均勻性方面顯示出顯著優(yōu)勢，在低流量條件下一定程度上能夠消除駝峰現(xiàn)象，并且串聯(lián)葉片式葉輪在更寬的工作范圍內(nèi)具有更好的水力性能和更高的可靠性.在水力性能上，房煦峰[10]等通過所搭建閉式實驗臺上的水力測試，采用SST κ-ε湍流模型，結(jié)合Ansys-CFX軟件，對該泵水力部件進行了數(shù)值模擬研究，得到了不同葉輪轉(zhuǎn)速下的水力性能曲線，驗證了該泵在變轉(zhuǎn)速下良好的水力性能.

2.2 數(shù)值模擬在泄漏渦對離心泵性能的影響中的應用

離心泵的泄漏渦會影響系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性，且對離心泵的效率有較大影響.在葉頂間隙泄漏渦的研究方面，王李科[11]等改進了泄漏渦的結(jié)構(gòu)特征和泄漏流速度分布，采用Ansys-CFX軟件和SST κ-ε湍流模型，通過求解動量守恒方程和不可壓縮流體的連續(xù)性方程，對泄漏渦運動軌跡和結(jié)構(gòu)特征進行了數(shù)值模擬計算和分析，得到的外特性曲線與試驗值吻合較好.

盧金玲、王李科[12]等為研究半開式離心泵葉頂間隙區(qū)域的非定常流動特性問題，依舊采用SST κ-ε湍流模型對離心泵做了全管道數(shù)值模擬，分析了葉片載荷與泄漏渦軌跡的相關(guān)機理及泄漏渦的頻譜特性，得出了葉頂間隙非定常流動的改進方案.倪玉峰[13]等針對離心泵密封泄露問題，提出了增加液位控制泵、確定合理的釜底液位聯(lián)鎖值的改進方法，通過CFD軟件選用標準κ-ε湍流模型，分析得出該改動可有效解決離心泵密封的問題.

在尖端泄漏渦的研究方面，Like Wang[14]等基于N-S方程，利用Ansys-CFX模擬了離心泵在尖端間隙區(qū)域中尖端泄漏渦特性和耗散機理，以研究尖端泄漏渦的結(jié)構(gòu)特征及其對內(nèi)部流場的影響，并使用相對渦度輸運方程分析了尖端泄漏渦對離心泵性能的影響.

2.3 數(shù)值模擬在空化對離心泵性能的影響中的應用

離心泵空化是指液態(tài)水流中的蒸汽氣泡等中空形成物的產(chǎn)生和突然破裂而造成離心泵的震動、噪聲、侵蝕等不良后果，是困擾離心泵性能的核心問題之一.在空化性能的影響方面，叢小青[15]等應用Ansys-CFX數(shù)值模擬軟件，對比分析了有無口環(huán)間隙模型泵在不同空化系數(shù)下的空化性能，得出了葉輪口環(huán)間隙越大則泵空化性能越好的結(jié)論，為進一步研究其他工況下空化引起的一系列問題奠定了基礎.

楊從新[16]等基于RNG κ-ε湍流模型、Zwart-Gerber-Belamri和Sauer&Schnerr空化模型，對各模型泵進行了三維定常兩相、單相空化數(shù)值模擬，分析了不同葉片的進口邊位置對空化現(xiàn)象的影響.趙偉國[17-18]等為了改善低比轉(zhuǎn)速離心泵內(nèi)的空化流動狀態(tài)，提出了一種葉片設置縫隙的被動控制方法，通過采用Kubota空化模型和修正的SST κ-ε湍流模型進行數(shù)值模擬，得到了各個空化階段的流場結(jié)構(gòu)及壓力脈動特性；同時，還提出了運用在葉片壓力面開槽的方法來抑制空化，從而進一步提高低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵的空化性能，針對離心泵運行過程中產(chǎn)生空化的流動特點，通過數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過改進的葉片對離心泵內(nèi)各個階段空化均有抑制作用.

牟介剛[19]等為了提高離心泵的抗空化特性，基于仿生學原理，在離心泵葉片易發(fā)生空化的位置布置圓形仿生非光滑表面結(jié)構(gòu)，通過數(shù)值模擬得出了圓形非光滑表面葉片對空化有很好的抑制作用的結(jié)論.同時，牟介剛[20]等分析了長短交錯葉片對離心泵空蝕特性的影響，得出了長葉片離心泵最容易發(fā)生空化產(chǎn)生空蝕損傷的結(jié)論.

夏遠志[21]等針對離心泵空化狀態(tài)識別難的問題做了空化模擬實驗.曹玉良[22]等對Kunz、Singhal、Zwart-Gerber-Belamri和Schnerr-Sauer 4種空化模型,以及標準κ-ε、RNG κ-ε和SST 3種湍流模型，這7種模型在水泵空化數(shù)值模擬中的應用情況進行了分析.孟根其其格[23]等同樣基于SST κ-ε湍流模型及Zwart-Gerber-Belamri空化模型對雙吸離心泵內(nèi)部流動進行了數(shù)值模擬，分析了有效空化余量、揚程下降及突降的原因.羅旭[24]等基于RNG κ-ε模型和Rayleigh-Plesset空化模型在不同空化程度下對高速離心泵進行數(shù)值模擬，得出了不同流量工況下空化的水力性能影響效果.

2.4 數(shù)值模擬在其他方面對離心泵性能的影響中的應用

在間隙問題上，Trupen Parikh[25]等通過SST κ-ε模型進行湍流建模，也進行了一系列的研究，仿真數(shù)據(jù)與實驗結(jié)果吻合度很高.

Fan Zhang[26]等應用計算流體動力學-人口平衡模型(CFD-PBM)來研究離心泵氣液兩相流中的氣體分布和流動機理，在數(shù)值模擬中準確地捕捉到了聚結(jié)和破裂演化過程中的氣泡分布特征.通過對氣泡集中區(qū)域的判斷，對多相流下的泵性能和內(nèi)部氣泡直徑分布給出了很好的預測.在套管和黏合劑涂層的表面粗糙度對離心泵效率的影響上，Padmakar A[27]等使用Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程對泵的幾何模型進行了3D仿真，得出了相應的結(jié)論.

在離心泵噪聲相關(guān)方面，凌素琴[28]等通過實驗檢測的方法測量不同比轉(zhuǎn)數(shù)葉輪的離心泵在改變轉(zhuǎn)速的情況下上下游的水流噪聲,研究泵的上下游聲壓級差與泵轉(zhuǎn)速、輪舌間隙的關(guān)系.周新一[29]等以聲學相似原理為依據(jù),通過對流體動力噪聲基本理論的研究分析,在建立水(氣)動聲學主要相似關(guān)系的基礎上,研究了由于不滿足雷諾數(shù)一致而可能導致的相似關(guān)系的破壞及需要進行的相應修正.在節(jié)能環(huán)保方面，秦繼宏[30]等人根據(jù)市場調(diào)研的結(jié)論和用戶的迫切需求，設計出了節(jié)能高效、平穩(wěn)可靠的離心泵，通過取消平衡盤使泵運行達到自平衡狀態(tài),其技術(shù)處于國內(nèi)領先地位.

3 離心泵水力性能數(shù)值模擬分析

在對離心泵水力性能的研究上，楊敬江[31]等為得到水力性能優(yōu)良的雙蝸殼離心泵，通過對蝸殼的改進，基于RANS方程，在湍流充分發(fā)展區(qū)選用標準κ-ε模型，采用Ansys軟件對蝸殼改進后的離心泵進行了水力性能分析，實驗表明，改進后的離心泵能夠提高水力效率.劉宇寧[32]通過理論分析、數(shù)值計算和試驗相結(jié)合的方法，采用RNG κ-ε湍流模型，對葉片曲率半徑變化對水力性能的影響進行了研究，為提高多級離心泵水力性能的數(shù)值模擬精度、水力性能優(yōu)化提供有價值的理論參考和方向指導.在離心泵背葉片寬度的改變對離心泵水力性能的影響研究上，汪巖飛[33]等通過Ansys軟件對各方案下的模型泵進行了全流道數(shù)值計算，得到了背葉片寬度對離心泵外特性與后泵腔流場分布的影響規(guī)律，為后續(xù)工程研究提供了一定的借鑒.

前口環(huán)間隙是密封環(huán)與葉輪前口環(huán)形成的徑向間隙,對離心泵水力性能的影響比較大.金貴龍[34]在研究上自主搭建了離心泵試驗臺，采用實驗與數(shù)值模擬軟件相結(jié)合的方法，研究了前口環(huán)間隙對離心泵水力性能的影響，為后續(xù)研究提供了相應的實驗依據(jù).在面積梯度控制對離心泵水力性能的影響上，劉志遠[35]采用理論分析、數(shù)值計算和試驗驗證相結(jié)合的方法對徑向?qū)~的正導葉進行水力優(yōu)化研究，采用RNG κ-ε湍流模型和標準壁面函數(shù)進行數(shù)值計算,通過分析表明，改進后的離心泵降低了徑向?qū)~水力損失，提高了整機效率.

趙萬勇[36]等借助Ansys軟件對離心泵4種不同的徑向長度過渡流道模型進行了數(shù)值模擬，得出了隨著徑向長度的增大，過渡流道內(nèi)部的水力損失越嚴重，離心泵的性能越差的結(jié)論.高振軍[37]等分別設計了5種不同葉片包角的雙吸泵，來研究葉片包角對雙吸泵內(nèi)部流場及水力性能的影響規(guī)律，通過數(shù)值模擬與試驗相結(jié)合對水力性能進行了綜合分析，研究表明，合理增大葉片包角可以改善內(nèi)流場的壓力分布和速度分布，并且可以提高泵的揚程和效率.

在葉片數(shù)對水力性能的影響上，馬亮亮[38]模擬3種不同比轉(zhuǎn)速離心泵的5種葉片數(shù)方案, 基于SST κ-ε湍流模型對各方案進行數(shù)值模擬,并與離心泵整機試驗結(jié)果對比，驗證數(shù)值計算的準確性，研究了不同流量工況下?lián)P程和水力效率的變化.在離心泵蝸殼出口位置的研究上，李尚升[39]以3臺不同比轉(zhuǎn)速的離心泵作為研究對象，選用5種結(jié)構(gòu)類型的蝸殼,通過對外特性曲線，不同出口位置蝸殼定常數(shù)值的分析，研究了蝸殼出口位置變化對離心泵的流動特性的影響.在離心泵分流葉片幾何參數(shù)的選擇上，王恒[40]以低比轉(zhuǎn)速離心泵作為研究對象, 針對SST κ-ε湍流模型計算離心泵外特性結(jié)果誤差較大的問題,通過改變模型參數(shù)，采用分流葉片設計法,通過數(shù)值模擬分析探究了分流葉片幾何參數(shù)對離心泵性能的影響.

4 結(jié)語

近年來，隨著流體力學及計算機軟件科學的不斷發(fā)展，數(shù)值模擬為離心泵的性能分析提供了新的研究方式，從離心泵的外部結(jié)構(gòu)設計，到內(nèi)部流場特性的研究，為離心泵的數(shù)值模擬研究提供了可能性.相比傳統(tǒng)的離心泵設計和性能研究方法，數(shù)值模擬方法可為實際操作提供近乎精確的理論數(shù)據(jù)支撐，大大促進了離心泵的性能分析等方面研究的快速發(fā)展.