基于CFD技術(shù)的離心泵出口流態(tài)模擬及分析

韓 娜

(平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 平頂山 467000)

0 引言

在我國(guó)，離心泵作為一種通用的工農(nóng)業(yè)提取、轉(zhuǎn)移流體主體機(jī)械，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域；加之流體力學(xué)近年來(lái)不斷滲入到流體機(jī)械的模擬研究工作當(dāng)中，對(duì)離心泵內(nèi)部的流場(chǎng)機(jī)理詳細(xì)了解與深入掌握成為業(yè)內(nèi)學(xué)者的一個(gè)重要研究方向。筆者在前輩的試驗(yàn)基礎(chǔ)與當(dāng)前離心泵的制造與應(yīng)用發(fā)展的前提下，利用CFD技術(shù)模擬手段并結(jié)合最優(yōu)理論，對(duì)離心泵的出口流態(tài)及相關(guān)影響參數(shù)或部件展開(kāi)探討。圖1所示為離心泵工作原理簡(jiǎn)圖。流體通過(guò)葉輪的高速旋轉(zhuǎn)，如箭頭所指方向，從入口處被帶動(dòng)至泵體的出口處，完成一次泵體的液體輸送工作。其中，葉輪與蝸殼是最為關(guān)鍵的動(dòng)力部件，內(nèi)部具有復(fù)雜的流體特性；而泵體出入口的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和流體的變動(dòng)情況亦對(duì)離心泵的整體工作效能起到不可或缺的作用，應(yīng)引起關(guān)注。

1 理論模型

1.1 離心泵數(shù)學(xué)模型的建立

根據(jù)低轉(zhuǎn)速比離心泵內(nèi)部流體介質(zhì)的特點(diǎn)與泵本體的結(jié)構(gòu)特征，可對(duì)其內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài)簡(jiǎn)化為三維定常流場(chǎng)，且流動(dòng)介質(zhì)呈不可壓縮狀態(tài)，得到基本控制方程為

(1)

(2)

選擇Realizable k-ε湍流模型為

(3)

(4)

為了降低流態(tài)模擬的失真性，適當(dāng)對(duì)離心泵的內(nèi)壁處流體所受湍流剪切力進(jìn)行修正，在相適應(yīng)的k-ε模型為主的算法之下加入壁面經(jīng)驗(yàn)函數(shù)公式，使得彌補(bǔ)實(shí)際泵內(nèi)流動(dòng)的完全湍流的非充分性，其經(jīng)驗(yàn)函數(shù)表示為

圖1 離心泵工作原理示意圖

Fig.1 Exhibition diagram of the operational principle of the centrifugal pump

1.2 離心泵物理模型的建立

進(jìn)行離心泵物理模型的簡(jiǎn)化與建立，將對(duì)數(shù)值模擬影響較小的各結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行簡(jiǎn)化，同時(shí)細(xì)化流體流動(dòng)時(shí)關(guān)鍵的過(guò)流部件和主體執(zhí)行部件，利用UG軟件得到離心泵的三維實(shí)體模型，如圖2所示。在此模型中，可對(duì)其進(jìn)一步拆解與組合，以獲得更為精確的物理參數(shù)。同時(shí)，通過(guò)專業(yè)的對(duì)接與轉(zhuǎn)換，導(dǎo)入流體仿真軟件進(jìn)行葉輪、蝸殼等數(shù)值模擬此物理模型，可為后序仿真提供良好的技術(shù)參數(shù)保證。在此列出離心泵的主要構(gòu)件及參數(shù)值，如表1所示。

1.入口 2.葉輪 3.蝸殼 4.出口 5.泵軸

對(duì)于各部件之間的參數(shù)優(yōu)化組合，可以選取多目標(biāo)優(yōu)化，做到統(tǒng)籌兼顧，其方程算法可表示為

表1 離心泵主要技術(shù)參數(shù)表

2 試驗(yàn)?zāi)M

2.1 模擬條件

基于CFD，選取流體領(lǐng)域應(yīng)用功能強(qiáng)大且兼容性穩(wěn)定性好的Fluent軟件作為主體模擬工具，為保證其計(jì)算的精度，需要對(duì)離心泵的物理模型進(jìn)行模擬前置處理，即網(wǎng)格劃分。利用GAMBIT的專業(yè)性和自檢性，同時(shí)可對(duì)復(fù)雜的幾何模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格劃分的功能，通過(guò)CAE導(dǎo)入網(wǎng)格預(yù)處理，對(duì)模型的關(guān)鍵位置進(jìn)行局部細(xì)化和網(wǎng)格優(yōu)化，以保證達(dá)到最好的收斂效果。通過(guò)兩者的結(jié)合，本次網(wǎng)格劃分共得到網(wǎng)格劃分單元數(shù)8 967 289，包括多種網(wǎng)格劃分的有效組合。針對(duì)不同的離心泵構(gòu)件如葉輪、蝸殼等的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)劃分后的模型如圖3所示。

模擬前邊界條件的設(shè)定是不可缺少的一步，邊界條件設(shè)置的合適性將直接影響控制算法的精確度，本模擬試驗(yàn)通過(guò)對(duì)離心泵出口、入口及壁面分別給予設(shè)定的邊界條件主要包括：①離心泵入口速度v1、入口壓力P1；②離心泵出口速度v2、出口壓力P2；③離心泵模型邊界壁面條件；④離心泵部件其他交界面條件等。

圖3 離心泵整體網(wǎng)格劃分與局部細(xì)化

centrifugal pump

2.2 模擬方案

開(kāi)展離心泵模擬方案計(jì)算,步驟如下：

1)將離心泵基本機(jī)構(gòu)尺寸材料及參數(shù)給定模擬計(jì)算器；

2)求解器選擇耦合性隱式求解；

3)選取前文所述控制算法并設(shè)置好系數(shù)、函數(shù)及缺省項(xiàng)目參數(shù)；

4)開(kāi)始進(jìn)行初始化；

5)迭代數(shù)值模擬；

6)查看離心泵模擬流場(chǎng)速度及壓力云圖；

7)重點(diǎn)關(guān)注離心泵出口流態(tài)參數(shù)變化；

8)改變相關(guān)參數(shù)設(shè)置，進(jìn)行重復(fù)步驟模擬。

3 實(shí)驗(yàn)分析

在Realizablek-ε湍流模型及控制算法之下，利用流固耦合方法進(jìn)行求解并進(jìn)行后處理和可視化結(jié)果及云圖的輸出，圖4～圖7分別給出了離心泵某截面的速度、壓力及湍動(dòng)能云圖分布情況。

1)由圖4可以看出：復(fù)雜的速度流場(chǎng)主要存在于離心泵葉輪與蝸殼的交匯處與葉輪的主體部件內(nèi)部，在離心泵出口處的流速流場(chǎng)分布較為穩(wěn)定。

2)由圖5可以看出壓力的分布在離心泵出口處最大。這說(shuō)明只有給定足夠的抽出壓力，泵體才能夠?qū)⑷~輪內(nèi)部的高速旋轉(zhuǎn)流體從出口處泵處，與實(shí)際工作狀況相符合。

3)由圖6可以看出：離心泵內(nèi)部整體的湍動(dòng)能分布較為穩(wěn)定，而在離心泵出口的管道段繪出現(xiàn)不同程度的旋流和湍動(dòng)能變化，應(yīng)當(dāng)引起重視。為了克服這種情況對(duì)離心泵的出口管道造成沖擊，可以采取軟措施與硬設(shè)備來(lái)減緩這一不利情況發(fā)生。

模擬得出離心泵的速度、壓力及湍動(dòng)能云圖，了解其工作過(guò)程中內(nèi)部流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及泵體結(jié)構(gòu)與內(nèi)部流體之間的相互作用力之后，改變泵的流量參數(shù)。

圖4 離心泵截面數(shù)值模擬速度云圖

圖5 離心泵截面數(shù)值模擬壓力云圖

圖6 離心泵截面湍動(dòng)能分布云圖

由圖7可以看出：在給定小流量的條件下，離心泵的葉輪與蝸殼不能很好地發(fā)揮其輸送性能，自然離心泵的出口流場(chǎng)速度不是很理想。隨著流量參數(shù)的逐步增加，加之流體在泵內(nèi)部流動(dòng)的不穩(wěn)定性，可看出其在出口處圓周方向的流場(chǎng)速度分布趨于均勻。當(dāng)給定流量參數(shù)位于0.8Q～1.2Q附近(接近離心泵額定流量)時(shí)，離心泵的出口流態(tài)分布最為均勻，隨著給定流量參數(shù)繼續(xù)增加，其出口處的流場(chǎng)速度分布又出現(xiàn)分布不均勻的現(xiàn)象。筆者在此對(duì)于壓力及出口處的動(dòng)能分布云圖不再贅述，觀察到的現(xiàn)象幾乎與速度流場(chǎng)一致，即應(yīng)當(dāng)保證離心泵在額定的設(shè)計(jì)流量及設(shè)計(jì)工況下進(jìn)行工作，此時(shí)可發(fā)揮離心泵的最大效能。

圖7 不同流量下的離心泵出口流速分布云圖

根據(jù)CFD的模擬，截取不同的流場(chǎng)分布特性，結(jié)合離心泵本身具備特征，亦可繪制出離心泵的關(guān)鍵特性曲線，如圖8所示。

圖8 離心泵相關(guān)特性曲線圖

通過(guò)統(tǒng)計(jì)計(jì)算與對(duì)比，得出離心泵流場(chǎng)參數(shù)的理論值與模擬值對(duì)比曲線，如圖9所示。由圖9可知：兩者的誤差在8%以內(nèi)，證明此次數(shù)值模擬的準(zhǔn)確度和可供參考性很大，兩者結(jié)果吻合度較高。

圖9 離心泵流場(chǎng)參數(shù)理論值與模擬值對(duì)比曲線

4 結(jié)論

1)通過(guò)將CAD/CAE技術(shù)與CFD技術(shù)相結(jié)合成功運(yùn)用于離心泵出口流態(tài)模擬分析，是進(jìn)一步了解離心泵內(nèi)部流場(chǎng)的固有特性的一個(gè)重要組成部分。應(yīng)用合適的控制算法，對(duì)比分析離心泵內(nèi)部及出口處的壓力、速度等關(guān)鍵參數(shù)，得出低轉(zhuǎn)速比離心泵的相關(guān)特性曲線，可以促進(jìn)相似尺寸和功能的離心泵參數(shù)化設(shè)計(jì)研究。

2)在三維模型準(zhǔn)確建立的基礎(chǔ)之上，利用CFD數(shù)值模擬在大大節(jié)約試驗(yàn)成本的同時(shí)可以獲取所需信息的準(zhǔn)確性與可靠性，是一種有效對(duì)離心泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化的模擬手段。

3)此分析方法對(duì)相關(guān)學(xué)者對(duì)離心泵深入研究提供一定的參考價(jià)值，從而實(shí)現(xiàn)離心泵內(nèi)部葉輪的流體流動(dòng)最優(yōu)化控制和利用，對(duì)于改善離心泵及其他水力機(jī)械設(shè)備具有重要的借鑒意義。