基于C F D的某型號離心泵流場數值模擬

2017-03-08 05:59:46黃志來

裝備制造技術 2017年12期

傅飛，黃志來

（1.中冶華天工程技術有限公司，安徽馬鞍山243005；2.安徽工業大學機械工程學院，安徽馬鞍山 243002）

離心泵是旋轉類機械設備，廣泛應用于各種工業場所中[1-2]，隨著高速發展的工業技術，對離心泵設計有了更高的要求，比如：訂單式設計、低成本等。傳統的離心泵設計方法主要是基于一元理論、流動相似理論以及Euler理論，如：設計系數法和模型換算法等方法[3-4]。這些方法需要先試制樣機，然后進行樣機性能實測，通過測試結果修改設計方案，這個過程往往需要反復多次進行，才能得到符合要求的設計方案，導致其設計的周期比較長，同時設計成本也會比較高。

為追求低成本的同時，提高設計效率，基于數值模擬計算的仿真設計方法成為大勢所趨[6]。高速發展的計算技術，為實現復雜的流動問題實現數值模擬提供了技術支撐。計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）屬于數值計算方法，專門為了解決各類流動問題，首先建立離散化的數值模型，然后通過計算機求解對應的模型，最終得到其對應的數值解。

本文首先用三維建模軟件Pro/E建立根據經驗設計出的離心泵的三維模型，然后用商業CFD軟件FLUENT進行離心泵流場的模擬分析，完成離心泵的流場狀況可視化，利用FLUENT的面積分，獲得離心泵進口處和出口處的壓力，利用伯努利方程就可以估計出離心泵在不同工況下的揚程，通過仿真計算目的在于代替或減少了物理實測，從而加快研發速度，同時降低研發成本。

1 模型建立

根據設計尺寸，利用Pro/E軟件建立離心泵流道的三維模型，如圖1所示。采用于體網格劃分方法中的混合網格劃分網格，得到的內部流場的網格模型圖如圖2所示。流動介質為常壓常溫情況下的水。

圖1 離心泵的三維模型

圖2 內部流場的網格模型圖

根據實際工況，出口邊界設備為出流邊界，各壁面設置為無滑移面。葉輪設置成移動面，其他面設置成靜止面。進口邊界中的湍動能k和湍動能耗散率ε由下式確定[7]：

式中：vav為進口平均速度，I為湍動強度，L為特征強度。

2 模擬計算結果

在不同流量工況下離心泵的流場壓力云圖如圖3所示。

圖3 不同流量下的壓力云圖

圖3a、圖3b和圖3c分別是小流量工況（7.0m3/h）、設計流量工況（8.0m3/h）和大流量工況（9.0m3/h）三種工況下離心泵的流場壓力云圖，從云圖可知，葉片工作面以及背面均存負壓區，這結果與實踐統計中葉輪發生汽蝕的部位吻合。相同半徑位置，葉輪的工作面處流場壓力大于背面處流場壓力，并且流場壓力在葉輪頂部達到最大值。隨著流量的增加，出口處流場的壓力變得不再均勻，這是因為葉輪做功增大使得流體的碰撞加劇，出口處流場回流嚴重，造成了出口處流場整流效果變差。

在不同流量工況下離心泵的流場速度矢量云圖如圖4、圖5和圖6所示。