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第３３卷２０１１年４月 第２期１８５－１８８页世界科技研究与发展ＷＯＲＬＤＳＣＩＴＥＣＨＲ＆ＤＶｏｌ．３３Ａｐｒ．２０１１ Ｎｏ．２ｐｐ．１８５－１８８ｗｗｗ．ｇｌｏｂｅｓｃｉ．ｃｏｍ第１８５ 页通讯作者：Ｅｍａｉｌ：ｓｕｎｑｉ５２５＠１２６．ｃｏｍ基于Ｆｌｕｅｎｔ的离心泵内部流场数值模拟郭仁宁１ 孙 琦，１ 肖桂田２ 徐 林１（１．辽宁工程技术大学机械工程学院，阜新１２３０００；２．阜新盛明热电有限公司，阜新１２３０００）摘 要：在对比了ＦＬＵＥＮＴ中所提供的湍流模型以后，选取了应用范围较广的标准ｋ－ε模型。计算完成后，分析ＩＳ１００－８５－２５０型离心泵在额定工况下和非额定工况下整机流场的速度压力分布，发现整体上的流场分布情况跟理论分析一致，而且也十分符合叶轮和蜗壳的设计原理。为了验证整机流场分析的准确性和可靠性，对该离心泵进行了性能试验，并作出了预测性能曲线，就离心泵的特性曲线进行了分析。通过扬程—流量、轴功率—流量、效率—流量特性曲线，得出模拟计算与理论分析基本吻合。最后对模拟计算作了总结。关键词：离心泵；流场；数值模拟；ＣＦＤ；叶轮；蜗壳中图分类号：ＴＨ３１１ 文献标识码：Ａ ＣｅｎｔｒｉｆｕｇａｌＰｕｍｐＢａｓｅｄｏｎＦｌｕｅｎｔＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＩｎｔｅｒｎａｌＦｌｏｗＦｉｅｌｄＧＵＯＲｅｎｎｉｎｇ１ ＳＵＮＱｉ，１ ＸＩＡＯＧｕｉｔｉａｎ２ ＸＵＬｉｎ１（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＬｉａｏｎｉｎｇＴｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆｕｘｉｎ１２３０００；２．ＴｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃＣｏ．，Ｌｔｄ．ＦｕｘｉｎＳｈｅｎｇＭｉｎｇ，Ｆｕｘｉｎ１２３０００）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＣｏｎｔｒａｓｔｉｎｇａｌｌｏｆｔｈｅｖｉｓｃｏｕｓｍｏｄｅｌｓｉｎｔｈｅＦＬＵＥＮＴ，ｔｈｅｓｔａｎｄａｒｄｋ－εｔｕｒｂｕｌｅｎｔｍｏｄｅｉｓｃｈｏｓｅｎ．Ｗｉｔｈｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｅｖｅｌｃｏｌｉｔｙａｎｄｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆｔｈｅｆｌｏｗｆｅｉｌｄｉｎｔｈｅＩＳ１００－８５－２５０ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌｐｕｍｐｉｎｔｈｅｓｔａｎｄａｒｄａｎｄｕｎｓｔａｎｄａｒｄｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｒｅａｎａｌｙｓｅｄ．Ｔｈｅｆｌｏｗｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｓａｃｃｏｒｄｅｄｗｉｔｈｔｈｅｔｈｅｏｒｙａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｔｈｅｄｅｓｉｇｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅｉｍｐｅｌｌｅｒａｎｄｖｏｌｕｔｅ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｖｅｒｉｆｙｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｗｈｏｌｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄ，ｔｈｅｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌｐｕｍｐｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎａｎｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｕｒｖｅｓｏｆｔｈｅｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎｓｍａｄｅｏｎｔｈｅｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌｐｕｍｐｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｃｕｒｖｅａｎａｌｙｓｉｓａｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ．ＷｉｔｈｔｈｅＨｅａｄＦｌｏｗ，ＳｈａｆｔＰｏｗｅｒＦｌｏｗ，ＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙＦｌｏｗｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｃｕｒｖｅｓ，ｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｉｓｏｂｔａｉｎｅｄ．Ａｔｌａｓｔｔｈｅｓｕｍｍｉｎｇｕｐｏｆｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｓｇｉｖｅｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｈｅｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌｐｕｍｐ；ｆｌｏｗｆｉｅｌｄ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ＣＦＤ；ｉｍｐｅｌｌｅｒ；ｖｏｌｕｔｅ１ 引言离心泵是一种应用极其广泛的机械，在农业和水利工程、城镇给排水、火力发电厂、固体颗粒液体输送工程、采矿工业、石油及化学工业、航天航空和航海工程、交通运输及医学等国民经济各部门得到了广泛应用［１］。传统离心泵的设计是靠实验手段为基础的设计，并借助经验判断来确定最终的设计方案，此过程是一种需要不断设计和实验的反复性工作，需要的周期较长，费用较高，且对经验的依赖性也较强。近十几年来，随着计算机技术的飞速发展，数值模拟开始更为广泛地应用于离心泵的设计和流场分析中。Ｆｌｕｅｎｔ是一个用于模拟和分析在复杂几何区域内的流体流动与热交换问题的专用ＣＦＤ软件［２，３］，能够准确描述离心泵模型内部的流动情况，免去设计初期繁琐的原型生产和反复测试，快速评价出模型尺寸的变动对流动的影响，并导出改良方案［４］。最后通过计算机数值计算和图像显示的方法，把时间域及空间域上连续的物理量的场（如速度场、压力场等）非常直观地显示出来［５］。因此利用Ｆｌｕｅｎｔ对离心泵进行辅助设计成为一种可靠的方法。本文基于计算流体力学ＣＦＤ（ＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＦｌｕｉｄＤｙｎａｍｉｃｓ）理论，运用商用ＣＦＤ软件Ｆｌｕｅｎｔ研究了离心泵整机流体的流场分布。通过对额定工况和非额定工况下的离心泵内部流场数值模拟，得出了流体在离心泵中的速度和压力分布，并分析了叶轮和蜗壳内的流场分布情况，揭示了离心泵内部流动现象。２ 建模及计算方法离心泵是一种涡轮机械，由旋转的叶轮和静止的蜗壳两部分构成。流体从叶轮中央的圆形进口沿径向均匀进入叶轮，经过旋转的叶片作用后，得到能量，从蜗壳出口排出。离心泵依靠旋转叶轮对液体的作用把原动机的机械能传递给液体，高速旋转的叶轮叶片带动水转动，将水甩出，从而达到输送的目的。本文采用Ｆｌｕｅｎｔ中的动参考系模型（ＭｏｖｉｎｇＲｅｆｅｒｅｎｃｅＦｒａｍｅ）进行求解，简称ＭＲＦ模型。２．１ 离心泵的主要参数及模型的建立本文的研究对象是型号为ＩＳ１００８５２５０的离心泵，基本参数为：叶轮的叶片数Ｚ＝６，叶轮进、出口直径Ｄ１＝１００ｍｍ、Ｄ２＝２５０ｍｍ，泵额定流量Ｑ＝５０ｍ３／ｈ，泵转速ｎ＝２９００ｒ／ｍｉｎ，泵入口压力ｐ＝１０１３２５Ｐａ。输送流体为标准状态下的水，其密度为９９８２ｋｇ／ｍ３，流体粘度为０００１００３ｋｇ／ｍ·ｓ。本文利用Ｆｌｕｅｎｔ的前处理软件Ｇａｍｂｉｔ建立泵的几何模型，并对其过流部件通道进行网格划分，在离散过程中主要采用了适应性比较好的非结构化网格。２．２ 求解器选择及求解方法离心泵叶轮和蜗壳内的流动为不可压缩稳态湍流。本文所涉及的流体是不可压缩的液体，所以选择非耦合隐式求解器。考虑计算资源情况，参考控制方程以及各种湍流模型和计算方法，本文在计算中的控制方程用雷诺时均ＮＳ方程，采用标准ｋε湍流模型，并选择了分离式ＳＩＭＰＬＥ算法。对于基本方程离散差分主要采用如下格式：速度项、湍动能项和涡粘系数项采用二阶迎风差分格式；压强项采用二阶中心迎风差分格式。为了加速收敛，求解压强项时松弛系数为机械工程 世界科技研究与发展２０１１年４月第１８６ 页ｗｗｗ．ｇｌｏｂｅｓｃｉ．ｃｏｍ０３、速度项为０２、湍动能项为０２、湍动能耗散率项为０２［６］。２．３ 边界条件根据离心泵进口流道特点，叶轮进口处假定流动是轴对称的、无旋的，且其大小是一致的。采用速度进口边界条件，而在已知流量的情况下，进口速度的计算公式为：ｖ＝ＱＡ＝４Ｑπｄ２（１）本例中离心泵的额定流量Ｑ＝５０ｍ３／ｈ，进口直径ｄ＝１００ｍｍ，可计算出在额定工况下的进口速度为ｖ＝１７７ｍ／ｓ。由于本文求解的是整机不可压缩流场，在流动过程中流体的密度不发生变化，另外，蜗壳出口流体的压强和速度未知，因此在出口边界条件中选用出流边界条件。在粘性流计算中，Ｆｌｕｅｎｔ使用无滑移条件作为边界条件。在壁面有平动或转动时，可以定义一个切向速度分量作为边界条件，也可以定义剪切应力作为边界条件。对于叶轮流体而言，叶片是围绕中心轴线转动的。因此，对于叶片面设置为移动壁面，但相对于临近流体区域的移动速度还是零；对于蜗壳内腔，由于在整个流动过程中处于静止状态，因此设置为静止壁面。３ 计算模拟结果及分析３．１ 额定流量工况下流场模拟分析图１～５显示了在设计工况点，即流量Ｑ＝５０ｍ３／ｈ，转速ｎ＝２９００ｒ／ｍｉｎ时的离心泵内部流场的计算模拟结果：１）压力分布图１～３显示的是离心泵内部的压力分布情况，模拟结果与理论分析基本一致。压力由吸入口到排出口逐渐上升，其中最小压力出现在叶轮进口附近，最大压力出现在蜗壳出口附近，相同半径时工作面的压力大于叶片背面的压力。叶片进出口压力的差值也基本合理，与设计值相差不大。压力在叶片背面离进口不远处到最小，与理论一致，因此该处是最容易发生汽蚀的地方。而在叶轮出口处压力基本一致，两叶片所包含的流道区域内，在进口处压力梯度不大，而出口处压力梯度明显。图１ 流场静压分布图Ｆｉｇｕｒｅ１ Ｆｌｏｗｆｉｅｌｄｓｔａｔｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ由图３可以看出，泵的进口和出口的动压都比较小。因为进口流速一般都很小，涡壳出口把流体的大部分动能转化为压能。由图中的白色区域可以明显看出，在叶片末端的背面动压很大，局部全压比较大。这是因为叶片末端的圆周速度最大，由于轴向漩涡的作用，背面的相对速度大于工作面，图２ 流场全压分布图Ｆｉｇｕｒｅ２ Ｆｌｏｗｆｉｅｌｄｔｏｔａｌｐｒｅｓｓｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ图３ 流场动压分布图Ｆｉｇｕｒｅ３ Ｆｌｏｗｆｉｅｌｄｄｙｎａｍｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ图４ 流场速度矢量图Ｆｉｇｕｒｅ４ Ｆｌｏｗｆｉｅｌｄｖｅｌｏｃｉｔｙｖｅｃｔｏｒ图５ 流场速度分布图Ｆｉｇｕｒｅ５ Ｆｌｏｗｆｉｅｌｄｖｅｌｏｃｉｔｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ从而导致叶片背面的局部较大动压。２）速度分布由图４、５看出，叶片工作面的相对速度比背面的相对速度小，在叶轮出口附近相对速度基本上保持一致，符合理论２０１１年４月世界科技研究与发展 机械工程ｗｗｗ．ｇｌｏｂｅｓｃｉ．ｃｏｍ第１８７ 页分析结果。这说明在叶片之间的相对流动存在轴向旋涡。叶轮从进口到出口相对速度（径向）逐渐增大，叶片的工作面到背面有增大的趋势。在叶片工作面附面层中相对速度基本上变化不大，只是在叶片出口处相对速度有一些加大，叶片背面上附面层中相对速度变化比较明显，且在叶片出口处的相对速度比较大。从图中还可以看到，叶轮进口到出口的速度逐渐增大，进口的速度梯度相对较小，出口的速度梯度相对较大。涡壳中的流速变化不大，在涡壳的出口处，速度逐渐降低，并趋于均匀。结合泵内部流场的压力和速度分布图来看，模拟的结果符合叶轮和蜗壳的设计原理。离心泵叶轮的作用就是把机械能转化为流体的动能，而蜗壳的功能就是收集从叶轮出来的高速液体，将动能转化为压能。３．２ 非额定流量工况下流场模拟分析由于工作环境等因素的影响，离心泵在工作过程中大多都不是工作在额定流量下，为了分析离心泵在不同流量工况下的流动情况，下面对此离心泵在两种典型的非额定工况（０６Ｑ流量工况和１４Ｑ流量工况）进行模拟和详细地分析。１）小流量工况下（０６Ｑ）流场模拟分析图６和图７为离心泵在０６Ｑ工况下的压力和速度分布图。与额定工况相对比可以看出，随着流量的减少，离心泵整体流场的压力在减小。从总体上看，压力分布的趋势是相同的，且比较均匀，但叶轮进口的负压面积增大，所以容易产生汽蚀现象。由速度分布图可以看出，随着流量的减小，离心泵出口流速在减小。由于流量小，叶轮转速高，流体流动不稳定，速度变化梯度快，到达出口时速度很小，如果速度继续减小，则容易产生回流现象，造成能量损失。图６ ０．６Ｑ工况下流场静压分布图Ｆｉｇｕｒｅ６ ０．６Ｑｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｆｌｏｗｆｉｅｌｄｓｔａｔｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ图７ ０．６Ｑ工况下流场速度矢量图Ｆｉｇｕｒｅ７ ０．６Ｑｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｆｌｏｗｆｉｅｌｄｖｅｌｏｃｉｔｙｖｅｃｔｏｒ ２）大流量工况下（１４Ｑ）流场模拟分析图８和图９为离心泵在１．４Ｑ工况下流场的压力和速度分布图。由图可以看出，随着流量的增加，离心泵整体流场的压力在增大。从总体上看，压力分布的趋势是相同的，且也比较均匀，但泵内最大压力并没有出现在泵出口处，而是在沿蜗壳一周出现高压区，这样由于出口压力的降低会造成严重的能量损失。由速度分