基于CFD的礦井用離心泵葉輪抗汽蝕優化設計

孫向龍

（河北省承德技師學院，河北 承德 067000）

從礦井用離心泵的實際情況來看，礦井用離心泵的特征表現在結構簡單、體積小、流量均勻等。但是礦井用離心泵由于礦井內特殊的應用環境，導致離心泵可能出現汽蝕的問題。針對于這一情況，對礦井用離心泵的抗汽蝕性能進行提升，是保證礦井開發水平的關鍵。

1 CFD技術概述

CFD技術是目前進行離心泵葉輪流道內部流場的重要方法，CFD技術在應用過程中，經歷了無粘性流動到粘性流動的發展歷程，從二維流動向準三維流動方向發展。CFD技術以流體力學質量方程、動量方程、能量方程作為基本的控制方程，對離心泵葉輪流道內的流體流動情況進行了描述，借助于基本控制方程組，使葉輪設計過程中更具針對性。其主要研究方向如下。

（1）探討葉輪內部液體流暢情況。

（2）蝸殼內部流暢。結合礦井用離心泵的工作原理，在進行流體輸送過程中，需要從葉輪經過流道，最后通向蝸殼。

（3）葉輪與蝸殼交界面的流暢情況。

2 基于CFD的礦井用離心泵葉輪抗汽蝕優化設計分析

2.1 CFD分析計算步驟

在利用CFD模型進行離心泵葉輪抗汽蝕優化設計過程中，需要對計算步驟進行有效設置。關于CFD分析計算步驟具體內容如下。

（1）利用CFD軟件—Fluent軟件進行計算步驟設計，做好網絡檢查，并對流體的物理特性進行設置。為了保證計算的精度和計算過程的收斂性，需要對網格進行相應地光順和轉換處理。

（2）對邊界條件進行設定。對邊界條件和初始條件設計時，要注重對礦井用離心泵的使用性能和相關結構尺寸做好把握。對離心泵的流量設計時，要注重對入口液體的進入速度做好把握。

（3）注重對收斂判據進行設置，主要是保證Fluent軟件在求解過程中，對不穩定問題進行解決。

（4）數值模擬結果處理時，以6片葉輪作為模擬計算依據，流道的寬度為27.5mm，吸入口以平直型為主。在進行網格模型優化設計過程中，迭代次數設計為1000次，具體的計算結果如下。

圖1 殘差監測圖

2.2 葉輪主要參數數值模擬

在對礦井用離心泵葉輪抗汽蝕優化設計過程中，由于離心泵汽蝕影響因素較多，包括了安裝因素、結構因素以及材料因素、運行環境因素等，本文在對離心泵抗汽蝕優化設計過程中，從其結構方向入手，通過對結構參數進行模擬設計，借助于CFD技術實現對離心泵抗汽蝕的優化設計。

（1）葉輪片數的抗汽蝕效果模擬。從離心泵葉輪片數角度出發，利用SolidWorks軟件對離心泵葉輪片數的參數進行設計，分別設置為4片、5片、6片的參數，并構建流道三維模型。得出離心泵性能如表1。

表1 不同葉輪片數離心泵性能統計

從不同片數來看，離心泵葉輪片數為6片的時候，其效率值最高為64.02%；但葉輪片數為6片時，相對于5片的葉輪，其揚程較小。從整體情況對比來看，當葉輪片數為6片時，其揚程以及效率值均達到了最佳的狀態。

（2）葉輪流道寬度對抗汽蝕性能的模擬。在對葉輪流道寬度的抗汽蝕性能模擬過程中，以6片葉輪為主，葉輪寬度分別設置為27.5mm、30mm、32.5mm以及35mm。借助于SolidWorks軟件進行分析，得出不同寬度離心泵的性能結果如表2。

表2 不同流道進口寬度對離心泵性能的影響統計

通過利用SolidWorks軟件進行模擬分析，得出的數據結果來看，當葉輪寬度為32.5mm左右時，不論是揚程還是效率值均達到了最佳狀態。

（3）葉輪進口形狀對抗汽蝕性能的影響。葉輪進口形狀對其抗汽蝕性能有著一定的影響，借助于SolidWorks軟件分析，其進口形狀分別為漸擴型、平直型和漸縮型。通過對三種進口形狀流動模型進行模擬分析，得出不同進口形狀的離心泵性能水平如表3。

表3 不同進口形狀的離心泵性能

從不同進口形狀的離心泵性能來看，進口形狀采用平直型的性能水平最佳，其揚程為44.61m，效率值為65.35%。利用CFD進行模擬計算發現，葉輪片數選擇6片，進口流道寬度為32.5mm，進口形狀為平直型時，離心泵抗汽蝕性能水平最佳。

3 結語

利用CFD技術進行礦井用離心泵抗汽蝕優化設計過程中，要注重把握CFD技術的內涵，通過方程組計算，對離心泵的葉輪片數、流動進口寬度以及流動進口形狀進行有效設計，從而提升離心泵整體性能水平，更好地滿足離心泵優化設計需要，使礦井開發水平得到更好地提升。