高揚程貫流泵湍流流動及流固耦合數值模擬

吳新 黃乾

摘要：基于設計完成的高揚程貫流泵模型，應用Ansys Workbench軟件，對高揚程后置燈泡式貫流泵內部的流動情況及結構靜應力進行數值模擬，模擬討論了在不同工況下的高揚程貫流泵運行時的湍流流動，在小流量工況下，貫流泵內部流態紊亂，會產生噪音及空化等問題;繼而采用單向流固耦合的方法，模擬不同工況下泵葉輪部分的流動情況，最大等效應力隨半徑減小而增大，應力集中出現于工作面與輪轂交接處，形變則隨著半徑增大而增大，其最大值出現在輪緣處。在進行高揚程貫流泵優化設計時，需注意小流量工況時的流動特性及葉輪根部的強度校核。

關鍵詞：貫流泵;高揚程：數值模擬：單向流固耦合;結構應力

中圖分類號：TV41

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2019.05.034

泵作為將機械能轉化為液體動能以實現液體定向輸送的動力裝置，在許多領域得到了廣泛應用[1]。泵的種類有很多種，每種泵有各自的作用和優勢，其中貫流泵以效率高、結構緊湊、開挖的深度和平面尺寸較小、水力性能好見長。傳統設計理論認為揚程大于5m的泵站應優先選用軸流泵或者混流泵，揚程小于5m的泵站則優先選用貫流泵。

軸流泵和混流泵機組都普遍存在以下缺點：①機組中有空間導葉，軸線的長度比較長，再加上出水流道的軸向高度，使立式泵裝置的軸向高度過大，常會帶來較多問題，如增加流道的水力損失、降低裝置效率等;②機組泵軸過長，運行過程中擺動較大，從而降低了機組運行的穩定性。

相比于軸流泵以及混流泵機組，在相同開挖深度條件下，貫流泵機組可以減少廠房的開挖量和混凝土澆筑量，大大降低泵站的造價。因其機組為臥式布置，流動條件好，水力損失小，與立式機組廠房必須采用的多層結構相比，貫流泵站廠房結構簡單，造價低，被廣泛應用于排灌和調水等工程中。過去對于貫流泵站開展的科學研究主要集中在低揚程泵站水力性能方面，而對高揚程泵站的結構優化、泵系統可靠性和適應性、振動和噪聲以及運行品質的提升等的研究則較少。

我國相較于日本等國對于貫流泵的研究較少，對高揚程貫流泵的研究近乎空白。本研究基于一個已經設計完成的高揚程貫流泵模型，相較于普通貫流泵小于Sm的揚程，該模型的揚程達到10 m左右，使流體經過泵可以獲得更多的能量，在獲得貫流泵多項長處的同時，也可以有較高的揚程。筆者針對該貫流泵模型的內外特性進行探討，并對葉片進行單向流固耦合研究，以期填補高揚程貫流泵研究的空白。

近年來，國內外諸多學者對貫流泵和流固耦合進行了很多研究。隨著計算機技術的飛速發展，計算流體力學（ CFD）計算方法具有耗時短、成本低、易于獲得流場中流動數據等優點，較多運用于流體機械內部流動模擬2-3]。李龍等[4]對軸伸式貫流泵雙向運行時的流動情況進行了三維動態模擬，研究了軸伸式貫流泵在雙向運行時的泵內流動情況：戴啟瑤等[5]在分析淮安三站存在問題的基礎上，采用CFD數值模擬、模型試驗、現場測試的方法研究了從6個方面優化后泵裝置的性能;唐學林等[6]、秦晉等[7]基于RNG k-ε湍流模型，應用Ansys Workbench軟件，對前置豎井式貫流泵內部湍流流動進行數值分析，并進一步采用單向流固耦合方法分析葉輪的等效應力及形變量。

1 數學模型

1.1 流場計算數學模型

水泵內部流動為三維不可壓縮黏性湍流，可以用連續性方程和動量方程來描述，即

1.3 流固耦合求解方法

流固耦合（fluid solid interaction，簡稱FSI），是將CFD與計算固體力學（CSM）結合在一起計算固體在流體作用下應力應變及流體在固體變形影響下的流場改變[8-11]。本研究采用的是單向流固耦合方法，其原因是結構形變量對于流場產生的影響較小。

2 物理模型與邊界條件

本研究采用后置燈泡式貫流泵模型，其中的過流部件包括進水流道、葉輪體、導葉體和出水流道。貫流泵的基本幾何參數如下：葉輪直徑為1 340 mm，葉片數為4，葉片安裝角為0°，導葉體葉片數為7;基本性能參數如下：設計流量為6 480 L/s，轉速為400 r/min。模型泵裝置的計算區域見圖1。

流體區域網格的劃分采用了非結構網格（見圖2），全流道的網格總數為148萬，根據計算精細度的需要，對葉輪和導葉部分進行了局部網格加密，加密后的葉輪結構部分計算網格總數為69萬，導葉部分為50萬。

為后續的單向流固耦合運算，需要先采用CFD軟件進行全流道數值模擬，所有壁面都定義為無滑移壁面，定義不同的速度進口，出口設置為自由出流，各個流體部分分開繪制網格，流體之間用交界面進行連接，葉輪的材料為結構鋼，流體介質為水。本研究采用的湍流模型及算法為k一ε模型及SIMPLEC算法。

3 結果分析

3.1 流場分析

3.1.1 性能曲線

為了分析高揚程貫流泵內部的湍流流動情況，分別對7種工況下的貫流泵流場進行計算。7種工況分別為0.6Qd.0.7Qd.0.8Qd.0.9Qd.Qd、1.1Qd、1.2Qd，其中Qd為設計流量。

在Fluent軟件中對該高揚程貫流泵不同工況下的水流情況進行模擬，計算得出泵進出口總壓及葉輪的

3.1.2 泵內流場分布及轉輪渦帶

由于小流量工況及大流量工況下流道流線大體相同，因此本文給出0.7Qd、1.2Qa及設計工況下的流線分布圖（見圖4），可以看出，在小流量和大流量工況下水泵出水流道內流態較為混亂，形成了較多的渦旋及回流;設計工況則流線分布較為均勻，流態較好。在小流量及大流量工況下出水流道中形成的渦旋及回流會造成較大的水力損失，且會造成噪聲、振動和空化等現象。

圖5為不同工況下轉輪周圍渦帶分布，可以看出在設計工況及大流量工況下轉輪周圍形成的旋渦較少，而在小流量工況下會在轉輪周圍形成較多旋渦，可能會比較容易造成空化現象，對葉輪安全運行影響較大。

3.2 靜應力分析

3.2.1 葉片壓力分布

圖6為各個葉片表面的壓力分布情況，葉片表面的靜壓力分布合理，最大壓力出現在葉片進水邊，最小壓力出現在吸力面進水邊附近。該靜壓力分布為流固耦合計算的基礎，該計算方法可以準確模擬該泵的特性及壓力荷載，為葉輪強度分析提供保證。

3.2.2 單向流固耦合分析

通過Ansys Workbench的Static Structural模塊，求得在單項流固耦合計算方法葉輪不同工況下的最大等效應力和形變量，見圖7。在設計工況附近.最大等效應力達到最大值，為86.5 MPa，遠小于所選材料的極限抗拉強度，所以該葉輪滿足強度要求。

由于各個工況下葉輪所受的最大等效應力和形變量整體上相似，因此在此只給出設計工況下的等效應力分布圖和形變分布圖（見圖8、圖9）。葉片表面受到的最大等效應力隨半徑的減小逐漸增大，應力集中出現在葉輪工作面根部中間區域，即與輪轂相接處。工作面受到的最大等效壓力普遍大于背面的，因為貫流泵葉片設計方法為參考軸流泵葉片設計方法，葉片為懸臂結構，泵工作時，水流流經葉片，使得工作面受壓而背面受拉，所以工作面受到的最大等效壓力比背面大。葉片的形變量則隨著半徑的增大而增大，工作面和背面差異不大，葉輪的最大形變出現在輪緣進水邊位置，其原因是葉輪輪緣的離心力和葉片沖角造成了較大的水流沖擊力。

4 結論

（1）針對高揚程貫流泵模型進行了模擬計算，得到該模型的內外特性，在小流量工況下貫流泵出水流道內旋渦及回流較多，會造成噪聲振動及空化現象，并且在轉輪周圍也存在較多的旋渦，對轉輪的安全運行造成較大影響。

（2）對葉輪部分進行單向流固耦合求解，葉輪表面受到的最大等效應力隨半徑的增大而減小，應力集中出現在葉輪工作面根部、中部，即與輪轂相接處，最大等效應力的最大值為86.5 MPa，遠小于所選材料的應力極限，滿足強度要求。葉輪的形變量隨著半徑的增大而增大，工作面與背面無明顯差異，最大形變出現在輪緣進水邊處。

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【責任編輯許立新】