离心泵内部湍流流场的数值模拟

离心泵内部湍流流场的数值模拟*刘威袁寿其陈士星吴涛涛潘中永（江苏大学流体机械工程技术研究中心镇江212013；国家水泵及系统工程技术研究中心镇江212013）摘要：针对离心泵在非设计工况下出现的内部流动不稳定性，同时为了研究泵内部湍流流动机理，运用Fluent软件采用标准ε−k方程对离心泵内部流场区域的速度分布、压力分布进行了数值模拟计算，对离心泵中进口段、叶轮进口及叶轮流道中的流体速度分布进行了分析，得出了相应流动规律。计算了该离心泵在设计工况以及比流量在0.9至0.2时各小流量工况下流道内的流动情况并进行了分析和对比，得出在小流量工况下流道内出现漩涡并且随着流量的减小漩涡出现的流道随之增多，进口处出现漩涡位置提前，同时其内部流动更加复杂。结果表明小流量时叶轮流道内产生严重地回流，且部分流体回流至进口，破坏了进口处入流的均匀性，叶轮流道内产生了很大的漩涡区，各个流道的流动极其不均匀。昀后结合文献，本文提供了减少漩涡及抑制漩涡的方法。关键词：离心泵漩涡内部流动结构数值模拟中图分类号：TH311NumericalSimulationonInternalTurbulentFlowFieldinCentrifugalPumpLIUWeiYUANShouqiCHENShixingWUTaotaoPANZhongyong(ResearchCenterofFluidMachineryEngineeringandTechnology,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,ChinaNationalResearchCenterofPumpsandHydraulicSystemEngineeringandTechnology,Zhenjiang212013,China)Abstract：Duetotheunsteadyinnerflowatoff-designconditionsandforresearchthemechanismofinnerturbulentflowwithincentrifugalpumps，ThevelocityandpressuredistributionofinnerflowregionincentrifugalpumpswereinvestigatedbyFluentandRealizableε−kturbulentmodel,thefluidvelocitydistributionofinletpipe,impellereyeandthepassagewasanalyzed,thentheflowprincipleswereobtained.TheflowprinciplesattheflowrateofdQ、9.0/=dQQand2.0/=dQQwerecalculatedandanalyzed，Swirlswerefoundinthepassageatlowflowrate,withthelowerflowrate,themoreswirlsandtheinletswirlspositionspushahead,alsomorecomplexinnerflowwereobtained.Theresultsshowthatthereexistsseverebackflowinthepassageatlowflowrateandpartofbackflowturnbacktoinletleadstonon-uniformityoftheinletflow,tremendousswirlsregionintheimpellerpassagewasfoundandtheflowofeachpassageextremelyun-uniform.Finally,Basedonotherliteratures,itsuggestsonepossiblewaytosuppresstherotatingstallinthepumps.Keywords:Centrifugalpumps；Swirls；Innerflowstructure；Numericalsimulation0前言近年来，作为旋转机械的离心泵已经广泛地应用于核工业、农业、石油化工以及低温输送等领域。但其运行会消耗大量电能，因此，对其深入研究，改善离心泵的流动进而提高其运行效率，一直是泵领域研究的热门问题。离心泵叶轮内部的流动是复杂的三维湍流运动，流动规律受到叶片曲率、叶轮旋转及其边界条件的影响。目前在研究其内部流动时多采用试验测量和数值模拟两种主要手段。特别在装置条件和变*国家自然科学基金资助项目(50825902)工况的影响下，会出现湍流、流动分离、空化、旋转失速、二次流等很多设计工况下所没有的流动现象[1,2]。这些流动不稳定现象给离心泵的运行造成了很多危害，严重时甚至会影响泵的正常运行。因此，分析叶轮内部流动状态，对于设计以及改进泵在非设计工况点的性能，有着十分重要的意义。近年来，随着计算机技术的日益发展，其运算速度和存储能力迅速提高，数值计算方法的研究也逐步深入，使人们有可能利用微型计算机，采用数值模拟的办法来分析泵内部流动[3,4]。到目前为止，已经有很多学者采用数值计算的方法对泵内部流动进行了研究[5-7]，取得了一定的成果。在研究中发现，当水泵在非设计工况下运行时，其内部流动情况将会不同于设计工况下流动，而且其内部流动结构复杂也增加了数值模拟计算的难度，从而影响了模拟的准确度。虽然内部流动已经被广大学者广泛关注和研究，但是将其计算到Q=0.2Qd工况的并且全面地分析叶轮内部各工况下流动情况的研究还未多见。本文应用Pro/e三维造型软件创建了离心泵的计算模型，采用标准ε−k湍流模型对离心泵进水段，叶轮进口，叶轮内部流场进行三维定常湍流数值模拟，分析了不同流量下离心泵内部流动的特点，并对不同小流量条件下内部流动特点进行对比，对小流量条件下离心泵内部流动进行了较细致的分析。1计算模型及方法1.1计算模型计算模型选用的是单级单吸卧式离心泵，离心叶轮基本参数为：叶轮外径D2=420mm，出口宽度b2=85mm，叶片数Z=7，设计流量Qo=1200hm3，设计扬程为20m，额定转速n=980minr，比转速ns=220，根据泵几何尺寸，建立离心泵三维模型。图1为计算模型示意图，计算模型区域包括进水管道（1m）、叶轮、压水室、出水管道（1m）四部分。网格划分由Gambit前处理软件生成。网格划分时，由于叶轮、蜗壳等结构较为复杂，均采用对复杂边界适应性强的非结构化四面体网格能够得到较好的网格质量，所以本文采用非结构化网格对流场区域进行网格划分，计算模型总网格数为150万。1.2计算方法和边界条件采用标准ε−k湍流模型，近壁面采用标准壁面函数，压力和速度的耦合采用SIMPLE算法。压力方程的离散采用标准格式，动量方程、湍动能和耗散率输运方程的离散采用二阶迎风格式。在迭代计算的过程中，通过检测残差判断计算是否收敛，收敛精度为10-5。为加快收敛，采用欠松弛因子迭代。由于不同流量工况下的迭代收敛性不同，松弛因子的设置也有所不同。在设计流量时保持软件默认的松弛因子保证了较快的收敛速度；在流量较小时由于流动较为紊乱，因此设置了较小的松弛因子以保证迭代的稳定性。边界条件设置如下：进口边界条件：采用速度进口边界条件，并假设进口速度分布均匀，只要轴向速度分量，速度大小由流量和进水管道进口处截面积给定；入口湍流取值按水力直径大小及湍流强度给定。出口边界条件：由于出口压力未知，故采用自由出流，假定出口流动充分发展。壁面边界条件：在靠近固壁的区域采用标准壁面函数，固壁面采用无滑移边界条件。2结果及分析2.1压力分布图2为不同工况下泵内压力分布图，因为本文主要研究小流量工况下离心泵内部流场流动情况，故只展示出比流量为0.7、0.5、0.4、0.3、0.2工况下的压力云图并与设计流量工况下压力云图做对比。图2所示依次为设计流量和比流量为0.7、0.5、0.4、0.3、0.工况下的压力云图。从图中可以看出设计流量时在叶轮内部流道中压力分布比较均匀，叶轮出口处的压力图1叶轮计算模型及网格示意图分布也比较均匀，只是在靠近蜗壳隔舌区域出现了相应的高压区，这部分是由于受蜗壳的非轴对称性的影响，压力也表现出非对称性，并且由于叶轮的旋转做功，压力随着液体的流动方向逐渐增加。这也与有关文献[8,9]中的研究结果是一致的。当流量减小到比流量为0.7时，会发现在叶轮流道中部分叶片背面出现了低压区，当流量继续减小时叶片背面低压区继续增大，而在叶轮出口处出现了高压区，但是由于蜗壳的不对称性使得叶轮出口的压力分布也是不均匀的。呈现出在背离蜗壳隔舌处叶轮出口压力比靠近蜗壳隔舌处叶轮出口压力大。当比流量减小到0.2时在叶轮出口处压力也随之减小。从比流量为0.3和0.2的压力云图可以明显的看出叶轮出口区域的压力变化。2.2进水管速度分布图3为流量为设计流量和比流量为0.8时进水管流线分布图，从图中可以看到在设计流量时进水管流线较均匀，并且液体是平行于进水管方向进入泵体的，当流量减小到比流量为0.8时在进水管靠近叶轮进口处出现了漩涡，而且在靠近蜗壳和远离蜗壳处的漩涡并不是对称的，出现的漩涡是有区别的，表现在漩涡的大小和流线的疏密上。因此可以看出在流量减小时进水管内会出现流动的不稳定性，漩涡就是在进入叶轮流道之前被叶轮、蜗壳以及它们之间的相互关系产生的不均匀作用力产生出来的。图3设计流量和比流量为0.9时进水管流线图当流量继续减小到比流量为0.6和0.2时，如图4所示，可以清楚的观察到在比流量为0.6时进水管内出现的漩涡更加明显，而且其漩涡的体积进一步加大，当比流量减小到0.2时，进水管的漩涡不但更加明显，体积加大，而且出现在进水管中的部位更加靠前，漩涡的个数也随之增多。这表明随着流量的减小，进水管中流动不稳定性越来越严重，而且在流量减小图2不同工况下泵内压力分布图到一定程度后进水管中流动开始变得极其不规律。图4比流量为0.6和0.2时进水管流线图2.3叶轮流道速度分布在研究离心泵内部流动不稳定性时，我们观察了进水管的流动情况，发现了其随着流量减小的规律。而在离心泵叶轮内部流道中这种不稳定性现象表现的更加突出，图5为流量为设计流量和比流量为0.8时叶轮内部的流线图。在图5中不同流量下叶轮内部流线图可以看出当流量为设计流量时叶轮内部流动比较规律，流动较稳定。但是当流量减小到比流量为0.8时，叶轮内部流动开始出现不稳定现象，在部分流道中出现了漩涡，并且漩涡有发展的趋势，从流量继续减小就可以观察到。在比流量为0.8时叶轮流道内的漩涡并不是呈对称分布的，这与其在旋转中受力不均匀是有关系的，当叶轮内部存在分离流动的时候随着叶轮转动位置不同没叶轮区流场也不尽相同，由于隔舌作用，在远离隔舌处的流动较好，在靠近隔舌处的动静干涉加剧，而且漩涡的数量、大小及位置在不同流道中都是不同的[6,10]。图5流量为设计流量和比流量为0.8时进叶轮流道流线图图6比流量为0.6和比流量为0.2时进叶轮流道流线图为了让流道中流动情况的变化更加明显，我们继续减小流量，如图6所示为比流量为0.6和0.2时叶轮流道内流线图，从图6左侧比流量为0.6的叶轮内部流场流线图可以看出当流量从0.8减小到0.6时，出现漩涡的流道开始增加，而且在出现漩涡流道的旁边流道开始有出现漩涡的趋势，当流量继续减小到比流量为0.2时，叶轮内大部分流道均出现了漩涡，内部的流动也变得极其不稳定，漩涡充斥了大部分流道，使得流道内的流动极其不规律。有部分流道漩涡几乎占据了整个流道，而在离心泵叶片出口处存在的射流尾迹结构、漩涡和尾迹都是引起泵内损失的重要原因[11]。因此当离心泵在小流量运行过程中预防和抑制漩涡对于离心泵的正常运行是具有十分重要意义的。在目前的研究中多数学者已经在叶轮流道中观察到了流量减小时内部流动的不稳定性以及会产生产生漩涡，但是抑制漩涡的方法并不多见。研究发现在液氧泵中，在导流壳上装一个与压力梯度平行的J—型槽可以有效的降低叶轮后