开式离心泵全流场数值模拟

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1、200年月农机化研究第期开式离心泵全流场数值模拟王洋，蒋其松（江苏大学流体机械工程技术中心镇江212013）摘要：介绍了开式叶轮的设计方法，确定泵的主要设计参数。详细介绍了开式离心泵全流道模型的建立方法，采用FLUENT软件对轴向间隙分别为0.5mm、0.75mm、1mm、1.25mm和1.5mm的开式离心泵进行全流场数值模拟，计算时采用雷诺时均方程和标准k-ε湍流模型，应用SIMPLE算法。对比分析泵内部静压力、速度，分析轴向间隙对开式离心泵内流场、空化性能、扬程及效率的影响。得出随着轴向间隙的增大，开式离心泵的抗空化性能、扬程和

2、效率降低。为开式离心泵的优化设计提供有价值的参考。关键词：开式叶轮；离心泵；数值模拟；湍流模型；空化性能；中图分类号：TH311文献标识码：A-4-200年月农机化研究第期通过CFD技术模拟泵内流动情况来改善泵的设计是提高离心泵性能的关键途径之一[1-5]。目前，泵内部流场数值计算大多仅分析叶轮流道和蜗壳流道，不考虑前后腔及口环间隙处流道。泵的全流场数值计算包括了泵的所有流道，更符合实际，能够更准确预测泵的性能。本文采用FLUENT软件对不同轴向间隙的开式离心泵进行了全流场数值计算，并对计算结果进行分析。得出随着轴向间隙的增大，开式

3、离心泵的抗空化性能、扬程和效率降低。1泵参数设计开式叶轮可采用闭式叶轮设计方法，叶轮外径根据轴向间隙的情况增大到1.1-1.25D2[6]，泵设计参数：流量Q=40m3/h，扬程H=200m，转速n=2900r/min。表1是泵的主要几何参数。-4-200年月农机化研究第期表1开式叶轮离心泵主要几何参数Tab.1Mainparametersofthecentrifugalpumpwithopenimpeller叶轮进口直径（mm）叶轮出口直径（mm）叶轮出口宽度（mm）出口安放角叶片数Z基圆直径（mm）泵出口直径（mm）583706

4、20°538050-4-200年月农机化研究第期2数值模拟2.1模型建立采用PRO/E软件建立离心泵叶轮实体模型，如图1。全流场计算模型如图2，包括叶轮、蜗壳、前后腔体及环状体积（叶轮和前后腔体通过环状体积与蜗壳相连接），计算中对泵进出口做了足够的延伸[7]。2.2网格生成采用GAMBIT软件进行网格划分，前、后腔及环状体积采用六面体网格，蜗壳、叶轮采用适应性很强的混合网格，检查网格质量，经检查，网格的等角斜率和等尺斜率都小于0.85，网格质量良好。图1叶轮实体模型基金项目：国家863计划项目（项目编号：2006AA100211）资

5、助项目作者简介：王洋（1955－），男，河北定州人，研究员，pgwy@ujs.edu.cn）通讯作者：蒋其松（1984-），男，江苏淮安人，硕士研究生，jqs213.good@163.comFig.1Impellermodel图2泵计算模型示意图Fig.2Thecalculationmodel2.3计算求解采用标准k-ε湍流模型，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，通过监测残差判断计算是否收敛，收敛精度为10-5。为加快收敛，采

6、用欠松弛因子迭代。进口条件：假定叶轮进口前速度在轴向均匀分布，其大小为流量与进口面积之比。进口湍流强度I和水力直径由式（1）确定[8]：……….…...（1）式中：—液体的动力粘度，20℃的水运-4-200年月农机化研究第期=1.00710-6；—过流断面面积，m2；—湿周周长，m。出口条件：计算前出口压力未知，采用自由出流边界条件。固壁条件：在固壁处采用无滑移边界条件，在近壁区采用标准壁面函数。3计算结果及分析（1）图3为不同轴向间隙时叶轮的静压力云图。由图可以看出，叶轮进口到出口压力呈上升趋势；工作面上的压力大于相应位置背面上的

7、压力；叶片进口处有明显的低压区存在，且背面上的最低压力低于工作面上的最低压力，此处是叶轮易发生空化的部位；随着间隙的增大，泵内部压力减小。轴向间隙越大，叶片进口处背面越容易发生空化。-4-200年月农机化研究第期（a）0.5mm轴向间隙（b）0.75mm轴向间隙（c）1mm轴向间隙（d）1.25mm轴向间隙（e）1.5mm轴向间隙图3叶轮静压力图Fig.3Thepressureinimpeller-4-200年月农机化研究第期（2）图4分别是轴向间隙为0.5mm和1.5mm时叶轮进口相对速度矢量图，表明：随着轴向间隙的增大，叶轮进口

8、处有明显的冲击，叶轮内部液体对叶片壁面的冲击变得严重。-4-200年月农机化研究第期（a）0.5mm轴向间隙（b）1.5mm轴向间隙图4叶轮进口相对速度矢量图Fig.4Relativevelocityintheinletofimpel