數值模擬在離心泵性能研究中的應用進展

黨明巖，王復興

(沈陽理工大學 環境與化學工程學院，遼寧 沈陽 110159)

0 引言

離心泵是化工生產中常用的一種流體輸送機械，它結構簡單、體積小、流量大、重量輕，常被用于不同壓力、不同黏度的液體物料輸送.在對離心泵的性能研究中，通常需要大量的實驗數據才能繪制出其性能曲線.計算流體力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)是計算機科學和流體力學相互融合的一門新興交叉學科.近些年來，隨著CFD軟件的發展，數值模擬為離心泵的性能分析提供了新的方式.在CFD商用軟件中，Ansys軟件獨占鰲頭.目前，Ansys軟件在國內外的應用范圍越來越大，基于Ansys對化工設備進行數值模擬已經成為很多研究者經常采用的研究方法.

本文結合國內外學者采用Ansys軟件對離心泵進行數值分析的研究現狀，總結了數值分析過程中湍流模型的選取及數值分析方法在離心泵性能研究中的發展現狀.

1 離心泵內流場湍流模型的選用

湍流模型的選取對數值模擬的精確性有重要的影響.在Ansys的湍流模型中，包含了低Reynolds數Wilcox模型、微分Reynolds應力模型、κ-ε模型、低Reynolds數κ-ε模型、微分Reynolds通量模型、代數Reynolds應力模型、大渦模型和SST模型.其中，κ-ε模型本身具有經濟性、穩定性及較高的計算精度，在模型的選用中應用最廣.在湍流模型的選取上，張絨[1]等應用Navier-Stokes方程(N-S方程)與標準κ-ε湍流模型對不同工況下二級離心泵內部的三維湍流流動進行了數值模擬，并對其內部的流動狀態進行了分析，得到了離心泵內部流場的壓力分布規律.汪正陽[2]等基于Rayleigh-Plesset方程的輸運空化模型,選用標準κ-ε湍流模型模擬了離心泵內流場空化特性.標準κ-ε湍流模型在旋流等非均勻湍流問題分析中存在較大的誤差，后來人們引入了RNG κ-ε湍流模型.標準κ-ε模型屬于高雷諾數模型，但是改進后的RNG κ-ε湍流模型能夠計算低雷諾數效應.剪切應力運輸κ-ε模型簡稱為SST κ-ε模型，因為在湍流運算黏度中考慮了湍流剪切應力，所以適用性更加廣泛.

廉益超[3]等結合RNG κ-ε湍流模型, 采用雷諾時均方法分析了導葉時序對泵壓力脈動、能量性能、葉片載荷方面的影響.劉媛媛[4]等采用改進的Kubota空化模型和RNG κ-ε湍流模型對空化流動進行了數值求解.趙偉國[5]等利用Kubota 空化模型及修正過的SST κ-ε湍流模型，對不同空化數下的離心泵內流場結構進行非定常與定常空化模擬.Gamal R H[6]等采用標準κ-ε和RNG κ-ε湍流模型分析了葉片數目對離心泵的影響.羅興锜[7]等基于歐拉-拉非均相流模型及SST 湍流模型，求解氣液兩相流離心泵的三維湍流流場.

根據離心泵不同的操作特性，可選用更具有針對性的湍流模型，但是每種湍流模型都有其優缺點，選用不同的湍流模型后，產生的計算結果可能會存在一定差異.根據不同的湍流模型對離心泵的適用性，分析不同的湍流模型在離心泵設計研究中的應用，研究其流場的內部流動和性能的變化情況，從而改善離心泵性能，提高離心泵的效率.

2 數值模擬在離心泵機械性能研究中的應用

數值模擬主要應用于離心泵的流場模擬和零部件的優化設計等方面，以下從幾個方面對數值模擬方法在離心泵性能研究中的應用進行綜述.

2.1 數值模擬在葉輪對離心泵性能的影響中的應用

葉輪是離心泵的核心部件，在離心泵的設計研究上，為了實現多級離心泵的小型化及性能的改進，Ming Guo[8]等重新設計葉片、葉輪和擴散器等，并采用Ansys-CFX對離心泵模型進行了數值模擬，通過模擬實驗可知，新設計的離心泵具有更高的效率和更平滑的內部流動特性，這意味著多級泵模型的性能得到了改善，也實現了小型化.在串聯葉片對離心泵的影響方面，Xiaobing Shi[9]等提出了一種改善離心泵的內部流動特性和整體性能的新方法，利用SST κ-ε湍流模型，對帶有串聯葉片的離心泵中的三維湍流場進行了模擬和分析，研究了串聯葉片對離心泵內部流量和性能特性的影響，比較了串聯葉片式葉輪與常規單排葉片式葉輪的預測速度、壓力分布、流動特性.結果表明，離心式串聯葉片式葉輪在葉輪排出流的均勻性方面顯示出顯著優勢，在低流量條件下一定程度上能夠消除駝峰現象，并且串聯葉片式葉輪在更寬的工作范圍內具有更好的水力性能和更高的可靠性.在水力性能上，房煦峰[10]等通過所搭建閉式實驗臺上的水力測試，采用SST κ-ε湍流模型，結合Ansys-CFX軟件，對該泵水力部件進行了數值模擬研究，得到了不同葉輪轉速下的水力性能曲線，驗證了該泵在變轉速下良好的水力性能.

2.2 數值模擬在泄漏渦對離心泵性能的影響中的應用

離心泵的泄漏渦會影響系統的運行穩定性，且對離心泵的效率有較大影響.在葉頂間隙泄漏渦的研究方面，王李科[11]等改進了泄漏渦的結構特征和泄漏流速度分布，采用Ansys-CFX軟件和SST κ-ε湍流模型，通過求解動量守恒方程和不可壓縮流體的連續性方程，對泄漏渦運動軌跡和結構特征進行了數值模擬計算和分析，得到的外特性曲線與試驗值吻合較好.

盧金玲、王李科[12]等為研究半開式離心泵葉頂間隙區域的非定常流動特性問題，依舊采用SST κ-ε湍流模型對離心泵做了全管道數值模擬，分析了葉片載荷與泄漏渦軌跡的相關機理及泄漏渦的頻譜特性，得出了葉頂間隙非定常流動的改進方案.倪玉峰[13]等針對離心泵密封泄露問題，提出了增加液位控制泵、確定合理的釜底液位聯鎖值的改進方法，通過CFD軟件選用標準κ-ε湍流模型，分析得出該改動可有效解決離心泵密封的問題.

在尖端泄漏渦的研究方面，Like Wang[14]等基于N-S方程，利用Ansys-CFX模擬了離心泵在尖端間隙區域中尖端泄漏渦特性和耗散機理，以研究尖端泄漏渦的結構特征及其對內部流場的影響，并使用相對渦度輸運方程分析了尖端泄漏渦對離心泵性能的影響.

2.3 數值模擬在空化對離心泵性能的影響中的應用

離心泵空化是指液態水流中的蒸汽氣泡等中空形成物的產生和突然破裂而造成離心泵的震動、噪聲、侵蝕等不良后果，是困擾離心泵性能的核心問題之一.在空化性能的影響方面，叢小青[15]等應用Ansys-CFX數值模擬軟件，對比分析了有無口環間隙模型泵在不同空化系數下的空化性能，得出了葉輪口環間隙越大則泵空化性能越好的結論，為進一步研究其他工況下空化引起的一系列問題奠定了基礎.

楊從新[16]等基于RNG κ-ε湍流模型、Zwart-Gerber-Belamri和Sauer&Schnerr空化模型，對各模型泵進行了三維定常兩相、單相空化數值模擬，分析了不同葉片的進口邊位置對空化現象的影響.趙偉國[17-18]等為了改善低比轉速離心泵內的空化流動狀態，提出了一種葉片設置縫隙的被動控制方法，通過采用Kubota空化模型和修正的SST κ-ε湍流模型進行數值模擬，得到了各個空化階段的流場結構及壓力脈動特性；同時，還提出了運用在葉片壓力面開槽的方法來抑制空化，從而進一步提高低比轉數離心泵的空化性能，針對離心泵運行過程中產生空化的流動特點，通過數值模擬分析發現，經過改進的葉片對離心泵內各個階段空化均有抑制作用.

牟介剛[19]等為了提高離心泵的抗空化特性，基于仿生學原理，在離心泵葉片易發生空化的位置布置圓形仿生非光滑表面結構，通過數值模擬得出了圓形非光滑表面葉片對空化有很好的抑制作用的結論.同時，牟介剛[20]等分析了長短交錯葉片對離心泵空蝕特性的影響，得出了長葉片離心泵最容易發生空化產生空蝕損傷的結論.

夏遠志[21]等針對離心泵空化狀態識別難的問題做了空化模擬實驗.曹玉良[22]等對Kunz、Singhal、Zwart-Gerber-Belamri和Schnerr-Sauer 4種空化模型,以及標準κ-ε、RNG κ-ε和SST 3種湍流模型，這7種模型在水泵空化數值模擬中的應用情況進行了分析.孟根其其格[23]等同樣基于SST κ-ε湍流模型及Zwart-Gerber-Belamri空化模型對雙吸離心泵內部流動進行了數值模擬，分析了有效空化余量、揚程下降及突降的原因.羅旭[24]等基于RNG κ-ε模型和Rayleigh-Plesset空化模型在不同空化程度下對高速離心泵進行數值模擬，得出了不同流量工況下空化的水力性能影響效果.

2.4 數值模擬在其他方面對離心泵性能的影響中的應用

在間隙問題上，Trupen Parikh[25]等通過SST κ-ε模型進行湍流建模，也進行了一系列的研究，仿真數據與實驗結果吻合度很高.

Fan Zhang[26]等應用計算流體動力學-人口平衡模型(CFD-PBM)來研究離心泵氣液兩相流中的氣體分布和流動機理，在數值模擬中準確地捕捉到了聚結和破裂演化過程中的氣泡分布特征.通過對氣泡集中區域的判斷，對多相流下的泵性能和內部氣泡直徑分布給出了很好的預測.在套管和黏合劑涂層的表面粗糙度對離心泵效率的影響上，Padmakar A[27]等使用Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程對泵的幾何模型進行了3D仿真，得出了相應的結論.

在離心泵噪聲相關方面，凌素琴[28]等通過實驗檢測的方法測量不同比轉數葉輪的離心泵在改變轉速的情況下上下游的水流噪聲,研究泵的上下游聲壓級差與泵轉速、輪舌間隙的關系.周新一[29]等以聲學相似原理為依據,通過對流體動力噪聲基本理論的研究分析,在建立水(氣)動聲學主要相似關系的基礎上,研究了由于不滿足雷諾數一致而可能導致的相似關系的破壞及需要進行的相應修正.在節能環保方面，秦繼宏[30]等人根據市場調研的結論和用戶的迫切需求，設計出了節能高效、平穩可靠的離心泵，通過取消平衡盤使泵運行達到自平衡狀態,其技術處于國內領先地位.

3 離心泵水力性能數值模擬分析

在對離心泵水力性能的研究上，楊敬江[31]等為得到水力性能優良的雙蝸殼離心泵，通過對蝸殼的改進，基于RANS方程，在湍流充分發展區選用標準κ-ε模型，采用Ansys軟件對蝸殼改進后的離心泵進行了水力性能分析，實驗表明，改進后的離心泵能夠提高水力效率.劉宇寧[32]通過理論分析、數值計算和試驗相結合的方法，采用RNG κ-ε湍流模型，對葉片曲率半徑變化對水力性能的影響進行了研究，為提高多級離心泵水力性能的數值模擬精度、水力性能優化提供有價值的理論參考和方向指導.在離心泵背葉片寬度的改變對離心泵水力性能的影響研究上，汪巖飛[33]等通過Ansys軟件對各方案下的模型泵進行了全流道數值計算，得到了背葉片寬度對離心泵外特性與后泵腔流場分布的影響規律，為后續工程研究提供了一定的借鑒.

前口環間隙是密封環與葉輪前口環形成的徑向間隙,對離心泵水力性能的影響比較大.金貴龍[34]在研究上自主搭建了離心泵試驗臺，采用實驗與數值模擬軟件相結合的方法，研究了前口環間隙對離心泵水力性能的影響，為后續研究提供了相應的實驗依據.在面積梯度控制對離心泵水力性能的影響上，劉志遠[35]采用理論分析、數值計算和試驗驗證相結合的方法對徑向導葉的正導葉進行水力優化研究，采用RNG κ-ε湍流模型和標準壁面函數進行數值計算,通過分析表明，改進后的離心泵降低了徑向導葉水力損失，提高了整機效率.

趙萬勇[36]等借助Ansys軟件對離心泵4種不同的徑向長度過渡流道模型進行了數值模擬，得出了隨著徑向長度的增大，過渡流道內部的水力損失越嚴重，離心泵的性能越差的結論.高振軍[37]等分別設計了5種不同葉片包角的雙吸泵，來研究葉片包角對雙吸泵內部流場及水力性能的影響規律，通過數值模擬與試驗相結合對水力性能進行了綜合分析，研究表明，合理增大葉片包角可以改善內流場的壓力分布和速度分布，并且可以提高泵的揚程和效率.

在葉片數對水力性能的影響上，馬亮亮[38]模擬3種不同比轉速離心泵的5種葉片數方案, 基于SST κ-ε湍流模型對各方案進行數值模擬,并與離心泵整機試驗結果對比，驗證數值計算的準確性，研究了不同流量工況下揚程和水力效率的變化.在離心泵蝸殼出口位置的研究上，李尚升[39]以3臺不同比轉速的離心泵作為研究對象，選用5種結構類型的蝸殼,通過對外特性曲線，不同出口位置蝸殼定常數值的分析，研究了蝸殼出口位置變化對離心泵的流動特性的影響.在離心泵分流葉片幾何參數的選擇上，王恒[40]以低比轉速離心泵作為研究對象, 針對SST κ-ε湍流模型計算離心泵外特性結果誤差較大的問題,通過改變模型參數，采用分流葉片設計法,通過數值模擬分析探究了分流葉片幾何參數對離心泵性能的影響.

4 結語

近年來，隨著流體力學及計算機軟件科學的不斷發展，數值模擬為離心泵的性能分析提供了新的研究方式，從離心泵的外部結構設計，到內部流場特性的研究，為離心泵的數值模擬研究提供了可能性.相比傳統的離心泵設計和性能研究方法，數值模擬方法可為實際操作提供近乎精確的理論數據支撐，大大促進了離心泵的性能分析等方面研究的快速發展.