海水泵的數值模擬與試驗分析

張化川 范祖相 王東柱 徐劍云 于 健

（1.中國船舶集團有限公司第七一一研究所，上海 201203；2.上海齊耀動力技術有限公司，上海 201203）

前言

隨著我國船舶事業的高速發展，重大裝備國產化步伐的不斷加快，船用海水泵作為船上海水系統的重要組成部分，它的高效性、穩定性和安全性顯得尤為重要。本文研究對象為我司試研制的4葉片高比轉速大型立式海水泵，通過VC++程序對已知葉輪水力數據進行讀取和葉片三維造型。采用STAR-CD軟件，基于雷諾時均方程、標準k-ε模型以及SIMPLE算法，對葉輪及蝸殼內部三維不可壓縮流體進行數值模擬[1]，得到了海水泵內部流場分布情況，并預測了揚程效率曲線。

一、三維造型

在VC++下通過包角變換及流線迭代法生成葉片骨線，導入UG中通過曲線網格直接生成帶圓角的葉片三維造型，如圖1。

圖1 葉輪及UG成型圖

二、數值方法

1.網格劃分

在ANSYS-ICEM和STAR-CD的前處理Pro-star中完成網格劃分，采用四面體和六面體的混合網格結構，網格總數140萬：

2.計算方法

對于海水泵中不可壓縮流體的恒定流動，根據Boussinesq渦黏性假設，連續性方程和動量方程可寫成張量形式：

p*——包含湍動能k的等效壓力

p——介質密度

Fi——相對坐標系中的單位質量力

eμ——有效黏性系數，分子黏性系數μ與湍流渦黏性系數τμ之和ui、uj——靜止坐標系中流體的速度分量標準k-ε湍流模型為

τμ——湍流渦團黏性系數

Gk——由平均速度梯度引起的湍動能k的產生項

C1ε、C2ε、Cμ、σε——常數

在上述湍流模型中，經驗系數C1ε=1.44,C2ε=1.92,Cμ=0.09，

3.邊界條件

在計算域進出口邊界條件分別采用速度進口和outflow出口，吸入室、葉片表面、前后蓋板和蝸殼的內表面上均采用無滑移固壁邊界條件。

三、計算結果與試驗分析

1.計算結果與試驗分析

最高效率點出現在設計工況1.0Qd，而CFD分析與試驗得到的整機最高效率均出現在0.83Qd的小流量工況，并非在設計工況1.0Qd達到最高。流場分析與試驗結果均表明已設計的蝸殼水力效率偏向于小流量工況，在此工況下內部損失最小，效率最高，而在設計工況1.0Qd整機效率偏低，葉輪和蝸殼的性能并未達到最佳的匹配效果[2]。

圖2 蝸殼斷面

由上式及圖2可知，在葉輪出口速度周向分量Vu不變的情況下，斷面面積增加可使蝸殼單位時間內流量增加。在葉輪及其他設計參數確定的情況下，只有保證設計工況下對應合理的蝸殼斷面面積才能滿足葉輪與蝸殼特性上的最佳匹配，這樣葉輪及蝸殼內各項損失最小，會呈現出高效率。筆者又對蝸殼各斷面面積進行了放大，計算結果如表1所示最優工況點實現了偏移，并在設計流量1.0Qd實現了整機效率最高，這也與上述理論分析吻合。

表1 蝸殼斷面面積放大前后效率對比

四、結論

1.在清水開式試驗臺遵照一級離心泵驗收試驗標準：ISO9906進行了性能試驗，結果表明，試驗與CFD預測所得的性能曲線吻合較好。但樣機試驗效率并不能完全達到設計要求。結合上述CFD分析與試驗情況，蝸殼斷面面積偏向小流量工況，進口沖角過大為影響本機整機效率的主要因素，可通過增大蝸殼斷面面積以及適當減小進口沖角，盡量滿足設計工況下無沖擊進口條件，來進一步提高整機效率。

2.在邊界條件接近實際的情況下，STAR-CD軟件可較真實地反映海水泵葉輪內部的液體流動，并預測其性能。但在嚴重偏離設計工況，流動條件惡化的情況下，現有的湍流模型還不能準確預測泵內實際流動情況，數值計算結果與試驗偏差變大，但依然能夠預測性能曲線的大體趨勢，對優化設計有很好的建設性作用。