張化川 范祖相 王東柱 徐劍云 于 健

（1.中國船舶集團有限公司第七一一研究所，上海 201203；2.上海齊耀動力技術(shù)有限公司，上海 201203）

前言

隨著我國船舶事業(yè)的高速發(fā)展，重大裝備國產(chǎn)化步伐的不斷加快，船用海水泵作為船上海水系統(tǒng)的重要組成部分，它的高效性、穩(wěn)定性和安全性顯得尤為重要。本文研究對象為我司試研制的4葉片高比轉(zhuǎn)速大型立式海水泵，通過VC++程序?qū)σ阎~輪水力數(shù)據(jù)進行讀取和葉片三維造型。采用STAR-CD軟件，基于雷諾時均方程、標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型以及SIMPLE算法，對葉輪及蝸殼內(nèi)部三維不可壓縮流體進行數(shù)值模擬[1]，得到了海水泵內(nèi)部流場分布情況，并預(yù)測了揚程效率曲線。

一、三維造型

在VC++下通過包角變換及流線迭代法生成葉片骨線，導(dǎo)入UG中通過曲線網(wǎng)格直接生成帶圓角的葉片三維造型，如圖1。

圖1 葉輪及UG成型圖

二、數(shù)值方法

1.網(wǎng)格劃分

在ANSYS-ICEM和STAR-CD的前處理Pro-star中完成網(wǎng)格劃分，采用四面體和六面體的混合網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格總數(shù)140萬：

2.計算方法

對于海水泵中不可壓縮流體的恒定流動，根據(jù)Boussinesq渦黏性假設(shè)，連續(xù)性方程和動量方程可寫成張量形式：

p*——包含湍動能k的等效壓力

p——介質(zhì)密度

Fi——相對坐標(biāo)系中的單位質(zhì)量力

eμ——有效黏性系數(shù)，分子黏性系數(shù)μ與湍流渦黏性系數(shù)τμ之和ui、uj——靜止坐標(biāo)系中流體的速度分量標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型為

τμ——湍流渦團黏性系數(shù)

Gk——由平均速度梯度引起的湍動能k的產(chǎn)生項

C1ε、C2ε、Cμ、σε——常數(shù)

在上述湍流模型中，經(jīng)驗系數(shù)C1ε=1.44,C2ε=1.92,Cμ=0.09，

3.邊界條件

在計算域進出口邊界條件分別采用速度進口和outflow出口，吸入室、葉片表面、前后蓋板和蝸殼的內(nèi)表面上均采用無滑移固壁邊界條件。

三、計算結(jié)果與試驗分析

1.計算結(jié)果與試驗分析

最高效率點出現(xiàn)在設(shè)計工況1.0Qd，而CFD分析與試驗得到的整機最高效率均出現(xiàn)在0.83Qd的小流量工況，并非在設(shè)計工況1.0Qd達到最高。流場分析與試驗結(jié)果均表明已設(shè)計的蝸殼水力效率偏向于小流量工況，在此工況下內(nèi)部損失最小，效率最高，而在設(shè)計工況1.0Qd整機效率偏低，葉輪和蝸殼的性能并未達到最佳的匹配效果[2]。

圖2 蝸殼斷面

由上式及圖2可知，在葉輪出口速度周向分量Vu不變的情況下，斷面面積增加可使蝸殼單位時間內(nèi)流量增加。在葉輪及其他設(shè)計參數(shù)確定的情況下，只有保證設(shè)計工況下對應(yīng)合理的蝸殼斷面面積才能滿足葉輪與蝸殼特性上的最佳匹配，這樣葉輪及蝸殼內(nèi)各項損失最小，會呈現(xiàn)出高效率。筆者又對蝸殼各斷面面積進行了放大，計算結(jié)果如表1所示最優(yōu)工況點實現(xiàn)了偏移，并在設(shè)計流量1.0Qd實現(xiàn)了整機效率最高，這也與上述理論分析吻合。

表1 蝸殼斷面面積放大前后效率對比

四、結(jié)論

1.在清水開式試驗臺遵照一級離心泵驗收試驗標(biāo)準(zhǔn)：ISO9906進行了性能試驗，結(jié)果表明，試驗與CFD預(yù)測所得的性能曲線吻合較好。但樣機試驗效率并不能完全達到設(shè)計要求。結(jié)合上述CFD分析與試驗情況，蝸殼斷面面積偏向小流量工況，進口沖角過大為影響本機整機效率的主要因素，可通過增大蝸殼斷面面積以及適當(dāng)減小進口沖角，盡量滿足設(shè)計工況下無沖擊進口條件，來進一步提高整機效率。

2.在邊界條件接近實際的情況下，STAR-CD軟件可較真實地反映海水泵葉輪內(nèi)部的液體流動，并預(yù)測其性能。但在嚴(yán)重偏離設(shè)計工況，流動條件惡化的情況下，現(xiàn)有的湍流模型還不能準(zhǔn)確預(yù)測泵內(nèi)實際流動情況，數(shù)值計算結(jié)果與試驗偏差變大，但依然能夠預(yù)測性能曲線的大體趨勢，對優(yōu)化設(shè)計有很好的建設(shè)性作用。