雙吸泵的多相位定常三維數值模擬

劉國輝，閆曉偉

?

雙吸泵的多相位定常三維數值模擬

劉國輝，閆曉偉

（92060 部隊，遼寧大連 116041）

采用ANSYS CFX軟件，以雷諾時均（RANS）方程和剪切應力輸運(Shear Stress Transport，SST)湍流模型為基礎，對雙吸泵設計工況進行了多相位定常三維數值計算。模擬結果揭示了泵揚程隨葉輪與蝸殼相對位置的變化規律，其平均值與試驗值較接近。獲取了葉輪通道的流場分布、蝸殼進口截面上壓力和速度分布規律及蝸殼特征斷面上漩渦結構演化特征。結果表明，多相位定常流動數值模擬在節省大量計算資源的前提下可反映出泵內流場的非定常流動特性。

雙吸泵 葉輪 蝸殼 CFD 多相位 數值模擬

0 引言

由于對泵內物理量的測量和流動現象的觀察極不方便，又由于近年來計算機性能的提高和計算流體力學技術的發展，采用用數值計算的方法直接研究雙吸泵內部三維粘性流動已成為行業熱點[1-4]。定常計算可節省大量計算資源，相對非定常計算更易于引入工程實際。

葉片與蝸殼相對位置會對泵內壓力與速度流場的分布產生影響[5-8]。為了使計算結果更合理，本文采用計算軟件ANSYS CFX，選用剪切應力輸運（Shear Stress Transport，SST）模式封閉雷諾時均方程（RANS)方程，對雙吸泵設計工況進行多相位定常三維湍流數值模擬，研究了由于葉輪與蝸殼相對位置不同而引起的泵性能和流場特性的變化規律。

1 控制方程和計算模型

1.1 控制方程

求解雙吸泵內三維湍流流動的控制方程為:

下式中：fi為體積力，p為作用在流體上的壓力，r為海水密度，m為海水的分子粘性系數，為湍流動力粘性系數。

選擇剪切應力輸運模式兩方程湍流模型封閉RANS方程，該模型在邊界層邊緣和自由剪切層采用模式，在近壁面區域使用模型中的低雷諾數公式，兩者之間通過混合函數來過渡。已經證明該模式在湍流粘性底層比具有更好的數值穩定性，且在擬壓梯度較強的對數律層能較好地模擬邊界層的流動特性。

1.2 計算區域和網格劃分

采用SolidWorks軟件對雙吸泵其進行幾何建模，如圖1。由于雙吸泵葉片扭曲較大且蝸殼形狀復雜，建模時采用了分塊建模中間通過交界面連接的方法。對吸水室進口和蝸殼出口都做了一定的延伸，使得流動更接近于充分發展以增加計算的穩定性。

采用了適應性較強的非結構化四面體網格對各部件進行空間離散，如圖2。為準確模擬壁面邊界層內流動壁面附近采用15層貼體邊界層網格，第一層網格厚度0.05 mm，網格增長率1.2。在葉片和隔舌等流動變化劇烈區域進行了網格加密，提高了網格的貼體性。經網格無關性檢查，最后確定網格方案如表1。

1.3 計算方案和邊界條件

相位角指葉輪相對蝸殼轉過的角度，如圖3。首先在0°位置進行一次定常流動計算；然后將葉輪網格繞旋轉軸逆時針轉過一定角度，進行第二個位置的定常流動計算，其余位置以此類推，本文采用的角度間隔為10°。采用了基于有限元的有限體積法對控制方程組進行離散，這種方法同時具有了體積法的守恒特性以及有限元法的數值精確性。代數方程求解時采用了亞松弛迭代方法，收斂精度為1×10-4。

邊界條件為：葉輪域設在運動坐標系，葉輪轉速為設計轉速，其余域設在固定坐標系；進口邊界給定流量進口；出口邊界設為壓力出口，出口相對靜壓設為0 Pa；葉輪前后蓋板和葉片表面，速度無滑移，相對靜止；其它壁面為絕對靜止壁面。采用標準壁面函數計算固壁附近流動，旋轉區域與靜止區域的交界面選取轉子凍結模式。

2 計算結果分析

2.1 揚程

由圖4可得，揚程隨相位角變化很大，波動幅度占平均揚程的11.0%，多相位定常流動數值模擬反映出了雙吸泵內非定常流動特性。各相位角計算結果與試驗值相比，最大誤差-15.2%，最小誤差-5.1%。由于開始不能精確判斷相位角的合理位置，單相位計算不能準確預報雙吸泵的揚程特性；各相位角計算結果的平均值與試驗相比誤差為-8.56%，較好的預測雙吸泵的宏觀外特性。

2.2 葉輪軸向特征截面流場分布

由于雙吸葉輪具有對稱性，選擇截面1和截面2來分析，其中截面1為雙吸葉輪的對稱面，見圖5。

圖6清晰的顯示了葉片附著渦的的生成、演化和脫落整個過程。一個周期內只有一個葉片有附著渦，這是由于其附近流體繞流吸水室鼻端所致，此時其它葉片附近流場良好。相位角為80°和100°時，由于葉片3接近隔舌，部分水流繞過隔舌流入出流管，另一部分水流則繼續隨葉片旋轉進入蝸殼，此處流動劇烈產生了較明顯的流動分離。

2.3 蝸殼進口流場特性

由圖7可見，蝸殼進口靜壓脈動呈不均勻分布，葉輪與蝸殼之間的動靜干擾現象明顯。當葉片接近蝸殼隔舌時，隔舌部位存在強烈的壓力突變，這些脈動將會引起泵體的振動并產生水壓噪聲。蝸殼進口靜壓自隔舌開始到擴散管基本是均勻變化的，波動頻率與葉片數一致。隨葉輪與蝸殼相對位置的變化，葉片尾跡會造成蝸殼進口靜壓波動的峰值和谷值相位位置也發生相應變化。由于截面1接近雙吸葉片的匯合處，波動特性較截面2更復雜。

圖8和圖9表示蝸殼進口徑向速度分量和切向速度分量沿葉輪出口周向的分布，蝸殼進口沿周向的水流流動呈明顯的不均勻性和三維紊流特性，且周期波動特性十分強烈，這必然是轉動的葉輪和蝸殼水流流動相互干涉所致。

蝸殼進口徑向速度分量沿周向分布的波動特性十分明顯，波動的均值基本為一直線，表明葉輪出流比較均勻，且波動的頻率和葉輪葉片的個數是一致的。由于存在渦旋流現象，切向速度分量沿周向分布大大減弱了，在隔舌位置處可以明顯看到隔舌對葉輪出流十分劇烈的影響。隨葉輪相位角的不同，徑向速度分量和切向速度分量波動的峰值也呈變相位特性。

2.4 蝸殼特征截面流場分布

圖9表示蝸殼在0°、90°、180°和270°四個特征截面的二次流分布，可見：蝸殼流道內的水流流動是一種十分不穩定的漩渦流，不同相位角時在蝸殼360°周向范圍內的不同徑向截面上的基本上都存在二次流流動現象。蝸殼內的流體不但沿主流方向做圓周運動，同時還存在著與主流方向垂直的二次流動，二次流應該是蝸殼內部流動水力損失的主要原因。流體由葉輪出口高速旋轉進入蝸殼后，在環向0°截面和90°截面存在兩個比較對稱的漩渦，但隨相位角的變化，漩渦的中心位置和強度都發生了明顯變化。180°截面流動演化更加復雜，在100°、0°、20°時呈雙渦旋形式，40°、60°時，呈單渦旋形式且渦旋中心位置不同，而80°,時該截面流動扭曲更加嚴重。不同相位角時270°截面流動也呈現單渦旋和雙渦旋的更替過程，但強度有所減弱。這是因為二次流的形成是由離心力引起的壓力梯度和蝸殼邊界共同作用的結果，而該截面葉輪出口與蝸殼內壁的距離較大。

3 結論

本文分析了雙吸泵多相位定常的計算結果，研究了雙吸泵內部流場特征。結論如下：

（1）單相位計算不具有全局代表性，不能準確預測雙吸泵性能。與非定常計算相比，多相位定常計算節省了大量計算資源，清晰有效地反映了泵內非定常流動狀況，其計算揚程取均值可較好預測雙吸泵外特性。多相位定常計算易于引入工程實際，便于為葉輪水力設計和葉型優化提供有利參考。

（2）在蝸殼的作用下各葉輪通道的水流流動情況隨它在蝸殼中相對位置的不同而不同，具有明顯的不對稱性。幾乎整個蝸殼內的流動都是以旋渦形式向蝸殼出口推進的，并隨著包角的變化旋渦表現出十分復雜的產生、發展、演化和耗散的周期過程。

（3）葉輪與蝸殼的動靜干涉作用引起了雙吸泵內部非定常流動現象。在葉輪旋轉過程中，蝸殼進口速度和壓力沿周向分布呈明顯的周期波動特性。特別是隔舌附近的非定常壓力和速度的脈動值最大，表明葉輪與蝸舌間的相互干擾最為強烈。

[1] 朱榮生, 歐鳴雄, 付強. 低比轉速半螺旋吸水室雙吸泵流場的數值分析[J]. 排灌機械, 2008, 26(4): 39-42.

[2] 趙萬勇, 張亮, 鄒軍. 雙吸離心泵徑向力數值分析[J]. 排灌機械, 2009, 27(4): 205-209.

[3] 劉文龍, 郭加宏, 陳紅勛. CFD在雙吸式離心泵優化設計中的應用[J]. 工程熱物理學報, 2007, 28(3).

[4] Spence R, Teixeira J. A CFD parametric study of geometrical variations on the pressure pulsations and performance characteristics of a centrifugal pump[J]. Computers & Fluids, 2009, 38: 1243-1257.

[5] 趙斌娟, 袁壽其, 李紅. 雙吸式葉輪內流三維數值模擬及性能預測[J]. 農業工程學報, 2006, 22(1): 93-96.

[6] 張計光, 陳紅勛, 馬崢. 雙吸泵內流場的三維數值模擬及流動分析[J]. 上海大學學報(自然科學版), 2006, 12(2): 186-190.

[7] Gonzalez J, Fernandez J, Blanco E, Santolaria C. Numerical simulation of the dynamic effects due to impeller–volute interaction in a centrifugal pump[J]. Journal of Fluids Engineering, 2002, 124: 348-55.

3-D Numerical Simulation of Double-suction Pump with Steady Multi-phase Position

Liu Guohui, Yan Xiaowei

（Unit 92060, Dalian 116041, Liaoning, China）

TH311

A

1003-4862（2013）01-0011-04

2012-04-16

劉國輝（1973-），男，講師。研究方向：機電管理。