立式水泵性能流場數值仿真研究

張明學

（上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院，上海 200030）

立式水泵在各個行業具有較為廣泛的應用，如船舶行業中冷凝器循環水的輸送、鍋爐行業中鍋爐水的供給、環保行業中污水的處理、建筑行業中高層樓房自來水的增壓供水等等。但是，如果水泵安裝位置及高度不合理、水泵運行的流量過大或者過小，都會造成非常嚴重的后果，如安裝高度過低，水泵將水輸送樓層較高時，導致壓力不足，出水較小，嚴重影響用戶的正常生活用水；水泵運行的流量不合理，除了上述水量較小問題外，還可能導致耗能增大、浪費能源等。對水泵性能的研究，可幫助解決水泵的非正常工作問題，研究水泵運行的正常工作區間，泵的最佳運行流量點等，以便泵設計廠家可以快速制造出符合要求性能的產品。

由于泵行業的快速發展，現在很多學者對水泵的研究越來越廣泛。劉超等利用CFD 軟件對水泵水輪機因汽蝕誘發的一系列不穩定流動問題進行了研究；李偉，施衛東等利用流場仿真和試驗數據對比的方法，預測發動機冷卻水泵葉輪破壞主要是由汽蝕導致，并提供了理論依據；徐俊高等對船用消防泵分別進行了流場模擬和結構仿真，確定消防泵內部流動均勻，效率較高，強度分析與水壓試驗數據吻合。O.Fecarotta,A.Carravetta,H.M.Ramos 等對渦輪泵性能與網格的相關性進行了研究，確定了網格劃分的情況與計算泵性能的準確性密切相關。

本文利用有限體積法理論，采用非定常流場仿真計算，對多個流量下的水泵揚程和效率進行統計，獲得了水泵在未考慮汽蝕狀況下的性能曲線，并和實驗結果結合研究，發現該流場數值仿真計算的方法是可行的，而且通過對于泵性能曲線的研究，對于水泵的優化設計、安裝狀況等均具有一定的借鑒意義。

1 相關理論與測試方法

1.1 泵的揚程及工作效率

衡量泵的工作性能需要確定泵揚程、效率等與流量的關系。

泵的揚程是指單位重量液體從泵進口，經過泵旋轉葉輪的作用，導致液體在出口處可達到一定的液柱高度。其一般表達式為：

泵的效率是指泵的輸出功率和輸入功率（軸功率）的比值。其表達式為：

泵在一定轉速的情況下，不同的流量對應著不同的揚程和效率（圖1 中實線表示不考慮汽蝕，虛線表示考慮汽蝕）。

圖1 泵性能曲線下降的形式

1.2 泵性能實驗測定

因為泵的內部構造、葉輪樣式以及轉速的不同，導致其具有不同的性能參數。本次實驗的目的主要測量立式水泵在一定轉速下的性能曲線，即揚程-流量、效率-流量曲線。由于常溫水流經泵時，會因為摩擦、環流等的影響，導致水的能量會有不同程度的損失，這部分能量損失很難通過計算獲得，因此一般采用實驗方法，直接測量泵的性能曲線，并獲知泵的最佳工作范圍。本次實驗裝置與流程圖，如圖2 所示。

圖2 立式水泵實驗裝置與流程圖

1.3 有限體積法

有限體積法（FVM）是目前流體仿真軟件應用較為廣泛的理論，與其相似的理論還有有限差分法、有限元法等等。其主要是對整個計算域劃分六面體網格，相鄰的六面體之間具有共同的節點，而相鄰的六面體并沒有重合區域，主要通過節點傳遞數據，將待求解的控制方程對每個六面體單元進行積分，可以得到一組離散求解方程，所求解的未知量就是節點的一系列流場參數，如速度、壓力等。

目前利用有限體積法理論，計算流場流動和傳熱問題的軟件，主要有FloEFD、ANSYS CFX 等，本文主要利用SolidWorks Flow Simulation 對水泵的流場進行模擬仿真，計算分析所需的流量、揚程、效率等參數，查看泵的工作性能狀況。

圖3 立式水泵模型

圖4 葉輪表面網格

2 流場仿真計算

2.1 基本參數

本文以某立式蝸殼水泵為研究對象，通過與實驗相結合的方法，研究該泵的工作性能情況，查找其最佳性能點以及其較好的工作區間，以防止其性能無法正常發揮。

該泵主要由驅動主軸、葉輪、泵體蝸殼、單一的進水和出水流道組成，葉輪葉片數為6。

本次立式水泵模型主要由SOLIDWORKS 創建，如圖3 所示。

有限體積法需要對整個計算域劃分六面體網格，本次分析屬于泵體內部流場分析，計算結果精度主要與泵體內部流體網格及其內壁面接觸網格相關，流體網格總數為798246，接觸固體（泵體內表面、葉輪外表面）的流體網格為434424。葉輪表面網格劃分情況，如圖4 所示（葉輪表面無網格處，是由其和泵體內壁無縫接觸導致）。

2.2 邊界條件

該立式水泵的工作原理是水通過入口軸向流入葉輪，經過葉輪轉動，水由葉輪徑向流到出口位置。本次流場分析采用k-ε 湍流模型、局部區域（滑移）的旋轉類型進行分析，滑移方法主要處理動靜干涉較強的情況，即葉輪與泵體相互影響導致水流動非常劇烈且不穩定的情況，因此，該分析必須采用瞬態流場分析。

該立式水泵葉輪轉速為500RPM，入口總壓恒定為0.2 MPa，出口采用不同的流量以獲取泵的性能曲線。根據泵的相關設計經驗可知，泵的性能曲線需要較大的流量范圍才可精確捕捉其變化趨勢，故本次分析設定的出口流量范圍為3.0m3/s～7.0m3/s，步長為0.5。

SOLIDWORKS FLOW SIMULATION 具有目標功能，可將泵的效率、揚程設置成方程目標進行監測，查看泵在運行過程中，相關目標隨時間的變化情況，確定其是否已達到穩定且具有一定的可信性。

3 計算結果與分析

為了獲知立式水泵的工作性能情況，本次共進行了9 個工況的模擬，每個工況除了出口流量不一致外，其余參數均相同，本次分析主要集中于流場的流動情況及泵的性能曲線。

3.1 流場分析

泵體內部流場的靜壓分布、速度分布及漩渦分布等是影響泵性能的關鍵因素，其可以有效地反映對泵性能的影響。圖5 中（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f）、（g）、（h）、（i）反映的是相同時刻點處，出口流量在3.0～7.0m3/s，步長為0.5 時三垂直交叉截面的結果分布情況。

由圖5 中速度、漩渦分布云圖可知，不同流量下，三垂直交叉截面的速度大小基本一致，但是在出口位置，泵體內某些位置的速度分布，漩渦數量差異較大。在俯視截面中，流量大于6.0m3/s 時，發現在出口位置會產生漩渦，影響流場流動；在正視、左視截面中，流量為3.0m3/s 時，漩渦要比其他流量的數量多，而在7.0m3/s 時，漩渦數量最少，中間流量下的漩渦數量基本一致，但是其位置存在差異。

通過圖5 中壓力分布云圖可知，隨著出口流量的增大，三垂直交叉截面的最大壓力由0.99MPa 逐漸減小為0.73 MPa，由壓力分布顏色可知，流量在3.0～4.5m3/s、6.5～7.0m3/s 之間，葉片部分區域的壓力分布很不均勻，葉片根部部分位置出現負壓，極有可能會導致泵體性能下降。速度、壓力分布對泵的揚程影響較大，而漩渦較多，則會導致泵的工作效率不高。通過上述分析結果可知，立式水泵在4.5～6.0m3/s，其工作性能較好。

圖5 立式水泵在不同出口流量下的速度、漩渦、靜壓分布

3.2 泵性能曲線分析

泵的性能曲線由流量—揚程、流量—效率構成，性能曲線上的任意一個點對應的是泵的一個工作工況，立式水泵的流場數值仿真性能曲線情況（未考慮氣蝕），如圖6 所示。

圖6 立式水泵的性能曲線

表1 給出了該泵部分典型工況的測試數據。

從兩者的結果數據對比可知，實驗的揚程比數值仿真的結果稍微小一些，而效率要比其稍微大一些，該結果差異，主要原因有以下幾點：（1）數值仿真的水位高度與實驗的水位高度存在差異；（2）數值仿真的流量和轉速與實驗數據存在差異；（3）數值仿真中未考慮水泵氣蝕的影響；（4）實驗時，水中具有一定的含沙量。

通過表1 的效率數據可知，實驗并不能準確獲得水泵的最佳工作性能點，因此，工程上主要通過實驗獲得泵的一定工作區間，因實驗條件限制，本次實驗并不能較好地確定泵的工作區間范圍，但是因為實驗和數值仿真的結果基本一致，這說明對于采用流場數值仿真來分析水泵的性能是可行的。

通過數值仿真結果可知，立式水泵的最佳工作性能點位于5.5m3/s 左右，效率在89%左右，對應揚程在60m 左右。在《現代泵理論與設計》中提到，在最佳工作性能點附近，通常將效率下降的5%～8%作為其工作范圍，因此，本次分析的最小工作范圍在4.5～6.0m3/s，在該區間中，立式水泵的工作性能較佳。

表1 立式水泵的試驗數據

4 結語

通過對立式水泵的流場仿真，對于不同流量下泵的工作性能有了進一步的認識和理解，主要得到以下結論。

（1）泵內流場的速度、壓力、漩渦分布與流量的大小息息相關。流量過小，將會導致泵內流體產生過多的漩渦，并導致內部壓力增大，而流量過大，則會導致出入口產生較多的漩渦，都會對泵的工作性能產生較大影響。

（2）通過對不同流量下的揚程、效率進行整合分析，發現隨著泵流量的增大，揚程逐漸減小，而效率則成下開口拋物線形式，存在最佳效率點，在最佳效率點附近的一定范圍值，可以獲知相應泵的最佳性能工作區間。

（3）通過數值仿真和實驗結果的對比可知，兩者的效率、揚程因部分原因存在些許差異，但采用數值計算方法對泵的最佳性能點和工作區間的確認是可行的。

立式水泵在各個行業具有較為廣泛的應用，通過對泵的性能進行流場數值仿真，不僅可以獲知泵的正常工作性能，而且對泵的安裝、運行及結構設計均有重要的指導意義。