(山東科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院 山東 青島 266590)

基于Fluent對(duì)多級(jí)離心泵全流道的性能分析

高鵬劉寧喬羽臧宏昱曹瑞峰

(山東科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院山東青島266590)

本文建立了離心泵的全流道模型，為減少運(yùn)算時(shí)間，只選次級(jí)和末級(jí)兩級(jí)葉輪進(jìn)行模擬分析。基于ANSYS FLUENT軟件，采用雷諾時(shí)均N-S方程，SIMPLE算法，選擇k-ε湍流模型，對(duì)其進(jìn)行模擬分析。在流量不同的條件下得出葉輪和導(dǎo)葉等關(guān)鍵部件的壓力、速度以及湍流的分布圖,并繪制出了離心泵的性能曲線。最后得出模擬值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合。

數(shù)值模擬；全流道；效率；揚(yáng)程

一、引言

離心泵是輸送流體的必要設(shè)備，在各行各業(yè)廣泛使用，包括各類工業(yè)用泵、農(nóng)業(yè)水利用泵和生活民用泵以及應(yīng)用于核能發(fā)電、火力發(fā)電等國民經(jīng)濟(jì)重要產(chǎn)業(yè)部門的高性能泵。使利用CFD方法實(shí)現(xiàn)離心泵的性能預(yù)測(cè)成為可能。這對(duì)于縮減開支，節(jié)約人力，縮短周期有重要作用。

本文采用CFD軟件FLUENT，在離心泵進(jìn)行整體流道建模的基礎(chǔ)上，通過對(duì)不同流量條件下離心泵內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬研究，獲得了葉輪和導(dǎo)葉等關(guān)鍵部件的壓力、速度以及湍流的分布圖。并通過計(jì)算繪制出了效率和揚(yáng)程的對(duì)比圖，從而預(yù)測(cè)出離心泵的性能。

二、三維模型的建立及網(wǎng)格的劃分

(一)三維模型的建立

采用SolidWorks對(duì)葉輪，導(dǎo)葉以及進(jìn)、出水段部分進(jìn)行三維建模，步驟如下：

(1)運(yùn)用保角變換法，并通過①繪制軸面投影圖、②軸面流線圖、③作流線方格網(wǎng)、并在方格網(wǎng)上進(jìn)行葉片繪型、④作軸面截線圖、⑤葉片加厚等步驟，繪制出葉片工作面以及背面軸面截線圖。

(2)運(yùn)用SolidWorks旋轉(zhuǎn)葉片軸面截線進(jìn)行建模，通過“旋轉(zhuǎn)實(shí)體”命令，將第1、2、……、12、13，各條軸面截線分別“轉(zhuǎn)換實(shí)體應(yīng)用”后，沿X軸線分別旋轉(zhuǎn)0°、10°、……、110°、120°。

(3)過空間曲線兩端點(diǎn)分別作兩條3D樣條線，以兩條3D樣條線為引導(dǎo)線進(jìn)行“放樣曲面”形成葉片工作面三維圖，以同樣作圖方法作出葉片背面三維圖。并通過“放樣曲面”命令形成葉輪葉片的三維實(shí)體。最后對(duì)葉片進(jìn)行圓周陣列，繪制出葉輪的三維實(shí)體。

在SolidWorks中生成三維模型后，把保存好的流道三維實(shí)體的x-t文件導(dǎo)入Gambit中進(jìn)行水體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型為混合網(wǎng)格(TetHybird)，網(wǎng)格大小(Spacesize)為6，網(wǎng)格劃分完后需要進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量檢查，主要檢查網(wǎng)格的扭曲度(一般要小于0.9。對(duì)要進(jìn)行模擬的水體網(wǎng)格進(jìn)行檢查，其結(jié)果都在0.8左右，符合網(wǎng)格質(zhì)量要求。葉輪及導(dǎo)葉的網(wǎng)格劃分見圖2，完成后的網(wǎng)格數(shù)量為1906572個(gè)。

(二)邊界條件的設(shè)置

對(duì)離心泵內(nèi)部流動(dòng)而言，主要存在進(jìn)口邊界、出口邊界和固壁邊界。

(1)進(jìn)口邊界。對(duì)于不可壓縮流動(dòng)，進(jìn)口邊界取為速度入口邊界條件(Velocity-inlet)。

(2)出口邊界。出口邊界上取自由出流邊界條件(Outflow)。

(3)固壁邊界。對(duì)于葉輪葉片的工作面和背面都設(shè)置為固壁邊界(Wall)，且固壁表面取為無滑移邊界條件。湍流計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法確定固壁附近流動(dòng)。

二、控制方程及湍流模型

為分析不同流量對(duì)多級(jí)離心泵揚(yáng)程效率的影響，對(duì)多級(jí)離心泵進(jìn)行內(nèi)部流場(chǎng)模擬，其模型設(shè)置為：采用雷諾時(shí)均N-S方程，參考?jí)毫x為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，不考慮重力，流體按湍流對(duì)待，選擇k-ε湍流模型，采用Simplec算法。

三、模擬結(jié)果分析

多級(jí)離心泵流道總壓分布,從整體上來看,該離心泵內(nèi)部總壓是隨著流體流動(dòng)的方向逐漸增大的,即進(jìn)水段壓力最小,伴隨著流體流過首級(jí)、次級(jí)壓力也不斷增大,且出水段的總壓最大?？倝褐饾u增大,表示流體的能量不斷增大。

兩級(jí)葉輪的靜壓分布圖。其分布趨勢(shì)與多級(jí)離心泵整體分布趨勢(shì)相同,即隨著級(jí)數(shù)的增大,壓力呈上升趨勢(shì)。且在每一級(jí)葉輪中,壓力均隨著流體流動(dòng)的方向增大,即壓力從葉輪的入口到葉輪的出口,壓力呈不斷增大的趨勢(shì)。

四、性能預(yù)測(cè)

本文性能預(yù)測(cè)的關(guān)鍵是對(duì)不同流量下離心泵效率和揚(yáng)程的計(jì)算，通過Fluent軟件的數(shù)值模擬，可以得出離心泵軸的扭矩和整體流道進(jìn)、出口的壓力差，從而計(jì)算出離心泵的揚(yáng)程和效率，并對(duì)離心泵的性能進(jìn)行預(yù)測(cè)。

根據(jù)Fluent的數(shù)值模擬，經(jīng)過計(jì)算得出不同流量條件下離心泵的揚(yáng)程和效率，具體趨勢(shì)對(duì)比如圖1、2:

圖1 揚(yáng)程-流量曲線對(duì)比圖

圖2 效率-流量曲線對(duì)比圖

本次模擬得出了不同流量條件下的揚(yáng)程和效率，由圖1、2可以看出仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，符合揚(yáng)程隨流量的增大而減小的趨勢(shì)，以及效率隨流量的增大先增大后減小的趨勢(shì)，以上表明此離心泵的設(shè)計(jì)較為合理。

五、結(jié)論

本文運(yùn)用CFD技術(shù)對(duì)在不同流量條件下的離心泵進(jìn)行了全流道整體模型的數(shù)值模擬計(jì)算，得出以下結(jié)論：

(1)多級(jí)離心泵內(nèi)壓力從進(jìn)口到出口整體上呈現(xiàn)增大的趨勢(shì),葉輪內(nèi)的壓力分布也呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì),隨著級(jí)數(shù)的上升,壓力增大。并且,在每級(jí)葉輪內(nèi),葉輪內(nèi)壓力從進(jìn)口至出口也是不斷的增大。

(2)在不同流量條件下由圖5、6得出揚(yáng)程隨流量的增大而減小，效率隨流量的增大先增大后減小?？傮w趨勢(shì)符合離心泵的工作原理。

以上結(jié)論都是在對(duì)離心泵進(jìn)行整體流道建模的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)值模擬得出的，從而考慮了多級(jí)泵中的入口處，出口處和泵中各級(jí)之間的相互影響，所以得出誤差更小，計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確，并為以后離心泵水力設(shè)計(jì)的優(yōu)化以及機(jī)構(gòu)件剛度和強(qiáng)度的校核提供了依據(jù)。

高鵬(1990-)，男，研究生，山東科技大學(xué)，研究方向流體機(jī)械。