船用離心泵改進的CFD方法研究

杜喆華

（武漢第二船舶設(shè)計研究所 武漢 430064）

0 引 言

離心泵是將原動機的機械能利用離心力轉(zhuǎn)化為輸送介質(zhì)能量的一種通用機械設(shè)備［1］，如果輸送介質(zhì)是水，將機械能轉(zhuǎn)化為動能或位能，就是本文的研究對象水泵。船舶的各個系統(tǒng)中大量使用離心泵。船用離心泵在使用過程中，有可能因為眾多因素的聯(lián)合影響造成泵體非正常振動，并引發(fā)與水泵相連管路振動，進而激勵船體振動噪聲產(chǎn)生，影響船上人員的身心健康。另外，水泵非正常振動還會造成水泵效率降低、揚程和流量下降。在日益提高的現(xiàn)代船舶舒適性要求下，船用離心泵不能僅滿足于正常使用工況要求，還必須最大限度減小振動。

離心泵內(nèi)流體流動相當(dāng)復(fù)雜，因此很難用純理論的方法得到其內(nèi)部流場特性。近年來，隨著計算機硬件水平的提高以及計算流體力學(xué)（CFD）和數(shù)值計算方法的蓬勃發(fā)展，CFD方法已成為國內(nèi)外學(xué)者研究離心泵的重要手段。隨著研究的深入，目前用CFD方法研究離心泵呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢：①湍流模型的深入研究；②優(yōu)化設(shè)計；③發(fā)展網(wǎng)絡(luò)生成技術(shù)；④向量化及并行算法。

本文以某型船用離心泵為例，介紹了該泵的振動現(xiàn)狀，結(jié)合工程實踐對可能的原因進行了分析，提出改進措施；然后用FLUENT軟件對改進方案進行數(shù)值模擬分析，最后制造樣機加以驗證。本文的研究思路和方法可為其他離心泵低振動改進設(shè)計提供一定的借鑒。

1 某船用離心泵組成與主要參數(shù)

本文研究的某型船用離心泵用于運送淡水。該泵主要由泵體、泵蓋、支座、泵軸、聯(lián)軸器、葉輪、密封環(huán)、軸套、填料壓蓋以及電動機等部件組成。其外形簡圖見圖1。

圖1 某船用離心泵外形簡圖

該泵主要參數(shù)如下：

額定流量：100 m3/h；

額定揚程：43 m；

必需汽蝕余量：4.9 m；

配套電機轉(zhuǎn)速：2 980 r/min；

配套電機功率：22 kW。

圖2、圖3是該泵機腳實測的典型振動頻譜圖。

圖2 機腳振動線譜

圖3 機腳振動1/3倍頻程譜

2 原因分析及減振措施

自激振動和環(huán)境振動［2］會影響船用離心泵運行。導(dǎo)致船用離心泵運行振動較大的原因是多方面的，但結(jié)合該泵安裝情況、運行工況以及振動頻譜圖，造成設(shè)備振動偏大的原因可能是水力設(shè)計不合理。在運行過程中，當(dāng)泵偏離額定工況點較多時，泵體內(nèi)水力流態(tài)會發(fā)生異常，造成水力波動增大，從而導(dǎo)致離心泵振動較大；而且當(dāng)氣蝕發(fā)生后，泵體內(nèi)會出現(xiàn)強烈水力沖擊，產(chǎn)生較大振動和噪聲。綜上所述，該泵主要振動源是泵體。造成振動偏大的主要原因是水力設(shè)計不合理引起的內(nèi)部流體激勵振動。

該泵的額定流量處于原泵性能曲線的大流量區(qū)，顯然不盡合理，因此必須對水力模型進行重新設(shè)計。新設(shè)計離心泵的水力模型不僅要滿足性能指標要求，還應(yīng)保證額定流量在性能曲線的最優(yōu)范圍內(nèi)，這將有效降低水力原因引起的振動。

3 數(shù)值模擬分析

數(shù)值模擬計算技術(shù)的飛速發(fā)展使商用CFD軟件能夠廣泛地應(yīng)用于泵內(nèi)流動的研究和計算分析中。本文也采用了一種基于數(shù)值模擬分析方法，對該船用離心泵的改進研究設(shè)計。在研究、設(shè)計過程中，運用FLUENT軟件仿真計算分析了改進設(shè)計方案的泵內(nèi)流場，泵內(nèi)的流場可視化，并能預(yù)估泵的性能。圖4是典型的數(shù)值模擬計算步驟。

圖4 數(shù)值模擬計算步驟

3.1 計算流體力學(xué)基本理論

計算流體力學(xué)是把在空間域及時間域上連續(xù)的物理量場，如速度場和壓力場，用有限個離散節(jié)點上變量值的集合來代替，然后建立起關(guān)于這些變量值之間關(guān)系的代數(shù)方程組，最后通過求解這些組獲得場變量的近似值［3］。

采用計算流體力學(xué)的方法對流體流動進行數(shù)值模擬分析，通常包括如下步驟［4］：

（1）建立可以反映實際問題的數(shù)學(xué)模型，也就是要建立反映問題各個量之間關(guān)系的微分方程以及相應(yīng)的邊界條件和初始條件，這是數(shù)值模擬分析的出發(fā)點。

（2）尋求高效及準確的計算方法。該部分的核心工作是離散控制方程，使其變?yōu)榉奖闱蠼獾拇鷶?shù)方程，數(shù)值離散方法包括限差分法、有限單元法、有限體積法等。

（3）編制程序進行計算。這部分工作耗時最多，包括劃分計算網(wǎng)格、輸入邊界條件和初始條件、設(shè)定控制參數(shù)等。

（4）顯示數(shù)值模擬結(jié)果并分析。將結(jié)果在計算機上以圖形的形式呈現(xiàn)，可方便觀察分析流動狀態(tài)。

上述4步中，最關(guān)鍵的步驟是離散控制方程和建立工程上適用的計算模型［5］。

3.2 設(shè)計工況及物性參數(shù)

額定流量：100 m3/h

配套電機轉(zhuǎn)速：2 980 r/min

入口壓力：101 325 Pa

流體密度：998.2 kg/m3

流體粘度：0.001 003 kg/m·s

3.3 三維流道實體模型

離心泵的過流部件包括葉輪、蝸殼、進出水管。首先要建立泵體內(nèi)部流體流動的計算模型，然后才能進行流場數(shù)值計算。本文利用三維設(shè)計軟件CATIA來分別建立其葉輪、蝸殼、進出水管的流道模型，進而將部件裝配建立離心泵三維流道實體模型。為了保證流體能夠平穩(wěn)入流，模型增加了進口延伸段，如圖5所示。

3.4 網(wǎng)格劃分

將上文得到的整機流道三維模型導(dǎo)入到前處理軟件GAMBIT中進行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，整機流道模型網(wǎng)格劃分見圖6。其中對部分部件進行了網(wǎng)格加密，如葉輪及蝸殼隔舍處，整機流道區(qū)域網(wǎng)格數(shù)量為468 786個。

圖5 整機流道三維模型圖

圖6 整機流道模型網(wǎng)格劃分圖

3.5 計算模型

本文選用雷諾時均方程法對N-S控制方程作時間平均，壓力速度耦合采用SIMPLE算法（Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations），選取標準k-ε兩方程湍流模型，離散差分方程采用二階迎風(fēng)格式。應(yīng)用亞松弛迭代計算代數(shù)方程，壓力亞松弛系數(shù)0.3、速度項為0.7、湍動能亞松弛系數(shù)0.8、湍動能耗散率項為0.8、設(shè)定收斂精度為10-4。

由于離心泵既有旋轉(zhuǎn)部件又有靜止部件，因此將計算區(qū)域劃分成轉(zhuǎn)子和定子兩個子區(qū)域［6］。其中葉輪和泵殼的耦合采用多參考坐標系模型，葉輪內(nèi)流動使用旋轉(zhuǎn)坐標系分析，泵殼內(nèi)流動使用固定坐標系，轉(zhuǎn)子和定子區(qū)域的交界面處交換慣性坐標系下的流體參數(shù)。

3.6 邊界條件

進口邊界條件：根據(jù)流量及進口截面積計算出流道區(qū)域的速度進口條件2.26 m/s。

出口邊界條件：取出流邊界條件。

壁面條件：葉輪、泵體與液體相接觸的固體壁面上均采用無滑移壁面條件，其余固體壁面都設(shè)置為靜止壁面。

慣性載荷條件：取2 980 r/min。

3.7 計算結(jié)果

3.7.1 結(jié)果分析

從圖7可以看出，離心泵整機流道內(nèi)除出現(xiàn)局部高壓和低壓區(qū)外，流體的壓力分布比較均勻，且呈現(xiàn)出較強的軸對稱性，這有助于降低徑向力，減小整個泵體的振動。葉輪對流體做功，使得流體的總壓力逐漸升高，最大處出現(xiàn)在葉片壓力面出口處。流體進入蝸殼后由于存在壓力損失，總壓力沿流動方向又開始遞減。

圖7 離心泵整機流場總壓力分布圖

從圖8可以看出，由于葉輪對流體做功，靜壓由進口到出口持續(xù)上升，最高處在蝸殼外壁面處。出口處的靜壓有所上升是由流道的擴張造成。

圖8 離心泵整機流場靜壓力分布圖

由圖9～10可以看出，流體在離心泵流動過程中，葉輪出口附近的流速最大，葉輪進口處的流速最小。由速度矢量圖可以發(fā)現(xiàn)，流體在泵體內(nèi)部流動比較均勻，無明顯的流動分離和沖擊現(xiàn)象。流體速度分布表現(xiàn)出由葉輪進口到葉輪出口不斷升高，由葉輪至泵殼速度逐漸降低的規(guī)律。伴隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)做功，流體在蝸殼進口附近流速較均勻，在順著泵殼導(dǎo)流的方向流體速度不斷升高，隨著流體流向出口，速度逐漸變低，至泵出口區(qū)域才慢慢降低。這些結(jié)果都表明該離心泵在設(shè)計工況下的運行狀態(tài)良好。

圖9 離心泵整機流場絕對速度分布圖

圖10 離心泵整機流場速度矢量圖

3.7.2 性能預(yù)測

在設(shè)計工況下：

揚程H=42.5 m

效率 η=γQH/Mω=73%

3.7.3 分析結(jié)論

本節(jié)對離心泵內(nèi)部流場進行了數(shù)值模擬，仿真圖形直觀揭示了泵內(nèi)部的流動規(guī)律，對于離心泵改善其水力性能及降低振動都具有重要的意義。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，該優(yōu)化設(shè)計后的離心泵性能參數(shù)接近設(shè)計值，誤差較小；泵內(nèi)流場呈現(xiàn)出比較均勻、合理的特點，離心泵工作穩(wěn)定性較好，有利于降低運行振動水平。

4 試制及試驗

4.1 樣機試制

根據(jù)前文所述的振動噪聲控制措施和CFD仿真計算結(jié)果，對原離心泵進行重新修改設(shè)計，然后制造了1臺離心泵樣機，如圖11所示。

圖11 船用離心泵外型

4.2 試驗數(shù)據(jù)及分析

根據(jù)GB/T 3216-2005《回轉(zhuǎn)動力泵 水力性能驗收試驗 1級和2級》和JB/T 8097-1999《泵的振動測量與評價方法》的要求，搭建了試驗平臺。

4.2.1 水力性能

離心泵樣機的水力性能符合技術(shù)要求。

4.2.2 振動數(shù)據(jù)

樣機的振動水平較原離心泵大幅下降，整改措施達到預(yù)期效果。典型測試頻譜見圖12、圖13。

5 結(jié) 論

船用離心泵振動改進的成功，不僅大幅降低了設(shè)備的振動水平，同時在研究過程中加深了對振動控制工作的認識，初步形成了以CFD數(shù)值模擬為基礎(chǔ)一套研究思路和方法，并積累了大量有益的經(jīng)驗，可為其他類似離心泵振動改進提供一定的借鑒。

圖12 機腳振動線譜

圖13 機腳振動1/3倍頻程譜

通過對船用離心泵改進方案內(nèi)流道的CFD數(shù)值模擬分析，可以揭示離心泵內(nèi)部的流動特征以及水力設(shè)計中存在的問題，從而可有的放矢地修正設(shè)計方案。此外，該方法可以對主要性能參數(shù)進行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果有一定的工程應(yīng)用價值，從而減少相關(guān)試驗驗證次數(shù)，提高研制效率、節(jié)約成本。

［1］陳乃祥，吳玉林.離心泵［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2003.

［2］吳仁榮.船用離心泵的運行振動和減消措施［J］.機電設(shè)備，2004（6）：37-39.

［3］唐輝，何楓.離心泵內(nèi)流場的數(shù)值模擬［J］.水泵技術(shù)，2002（3）：3-9.

［4］MIGUEL A，F(xiàn)ARID B，SMAINE K.Numerical modelization of the flow in centrifugal pump：volute influence in velocity and pressure fields［J］.International Journal of Rotating Machinery，2005（3）：244-255.

［5］朱保林.離心泵內(nèi)流三維數(shù)值模擬［D］.浙江：浙江工業(yè)大學(xué)，2005.

［6］任志安.離心泵內(nèi)流動數(shù)值模擬研究［D］.北京：中國石油大學(xué)，2009.