農用離心泵內流體流動特性模擬

王玫,宋志遠

農用離心泵內流體流動特性模擬

王玫,宋志遠*

桂林理工大學 信息科學與工程學院, 廣西 桂林 541004

本文基于CFD仿真技術對不同轉速和進口流體流速下的泵內流體流動規律進行研究。模擬所采用的網格大小對結果影響較小，并且模擬結果獲得了實際值的驗證。研究發現不同的轉速和流速下，在葉片旋轉帶動下葉片附近的流體速度較大，當流到出口附近時速度減小。由于泵內流體的流動靠葉片的帶動，轉速對泵內的流體流動影響明顯大于入口流速的影響。在進行離心泵的選型和操作條件設置時，離心泵的轉速要適中，這樣不會因為流體碰撞避免引起能量損耗。而且入口的流速也要適中，減少葉片離心泵的能耗同時提高效率。本文的研究結果可為離心泵的設計和使用提供一定的指導，促進農業灌溉節水目標的實施。

離心泵; 流體力學; 流動模擬

農業是各國發展的基礎，我國農業生產的機械化和現代化水平與歐美發達國家相比較低。農作物的生產需要水資源，如何保證水資源高效利用的同時增加作物的產量的質量是農業領域的研究重點。目前，農業生產需要的水量較高，是全國用水總量的50%～55%左右，這就要求有強大的水利灌溉系統，但是我國的農用地灌溉用水有效利用率僅為0.52～0.55，嚴重匹配不上農業的用水的需求量。因此，農業生產中如何節水的同時保證作物產量，以及建立完善的灌溉系統和提高灌溉質量成為農業生產的重心。與傳統的水泵灌溉方式相比，小型灌溉裝置具有更大的優勢。離心泵灌溉時的操作方便，可以適應不同灌溉需求，保證節水量和用水率。研究離心泵在使用中，其內的流體流動規律以及不同操作條件對其流動影響對提高泵的使用效率尤為重要。通過針對性研究提高離心泵的效率，并將其應用于現代農業灌溉系統，將提高用水效率和灌溉系統的總體效率。此外，有助于實現國家節水規劃目標，同時發展高效經濟的灌溉技術有利于節約不可再生資源。

離心泵內的流體流動呈現一種非定常狀態，規律較為復雜，而研究其內部的流動特性有助于離心泵的設計和操作條件選用，可以提高泵的工作效率和降低泵的能耗。隨著計算機模擬技術的發展，憑借便捷高效的優勢，基于流體仿真軟件的離心泵模擬成為國內外相關學者的研究熱點。Singh VK等[1]綜述了利用CFD模擬不同工況下的泵性能預測、參數化研究、空化分析、擴壓泵分析、泵在渦輪模式下運行的性能等方面的研究工作，認為CFD仿真技術是提升泵效率的一種有效研究方法。Al-Obaidi AR等[2]通過實驗和數值研究了不同泵轉速下的流動結構和對一臺離心泵性能的影響。結果表明當葉輪旋轉靠近舌部區域時,該區域的壓力高于其他區域。離心泵內部的壓力和速度變化隨葉輪轉速的增大而增大。Markus H等[3]利用CFD雙流體3D模型離心泵內含氣液體流動規律，研究結果表明高氣含率不利于泵的運行。Rosa HMP等[4]利用CFD模擬離心泵中葉片數變化對泵內流體流動規律的影響。有研究者利用CFD-DEM研究了泵內氣固兩相流動規律，離心泵在使用中會吸入一定量的固體[5-8]，因此研究固體對泵性能的影響至關重要。研究者通過CFD模擬的方法研究了離心泵內的流體流場，根據流場規律進行了泵的設計[9-12]。還有研究者利用CFD技術詳細研究了泵內的不穩定流動規律，為離心泵的啟動和使用提供了一定的指導[13-17]。CFD模擬技術已經在離心泵的理論和設計研究中已經有著較多的研究成果，但是目前的研究中較少對泵的操作條件對泵工作狀態影響進行全面的分析。本文采用CFD軟件模擬不同轉速和流速下離心泵內的流體流動規律，比較泵不同位置處的流體流動特征，探究不同使用條件下泵內流體的流場影響規律。本文的研究結果可為農用離心泵的選型和使用提供指導。

1 建模方程及結構

1.1 模型方程

離心泵在進行工作時，其內部的流體流動的雷諾數Re達到了4000以上，所以在進行流體流動模擬時需要用-湍流模型。同時離心泵里面一般都是水，可將其視為連續、穩定、不可壓縮牛頓流體。因此，需要對泵內的流體建立連續性方程、動能方程、湍流能量耗散方程和湍流能量耗散率方程，根據模型方程對泵內流體的流動規律進行研究，具體的方程如下所示：

1.1.1 連續性方程

1.1.2 動量方程

1.1.3 湍流能量耗散方程和能量耗散率方程

1.2 離心泵結構和模擬方法

本文模擬的離心泵為農業中常用的種類，具體尺寸為：導葉直徑為112 mm，168 mm。葉輪數量為5個，具體的離心泵結構如圖1所示。采用的網格劃分方法是非結構化網格，由于葉輪處流體流動較為復雜，因此在葉輪部分進行了網格加密，使用動網格計算葉輪處的葉片轉動。模擬時采用的流體是水，進口流速分別為1.44 m·s-1、1.81 m·s-1和2.17 m·s-1，轉速分別為900 rpm、1200 rpm、1500 rpm。模擬計算時采用的邊界條件和初始條件如表1所示。圖中P1-P5為離心泵中的監測點位置。本文模擬采用的邊界條件是：速度入口、壓力出口（P表壓=0）、壁面處采用無滑移邊界。

圖 1 離心泵模型

2 結果與分析

2.1 網格大小對模擬結果的影響

在CFD模擬中網格的大小關乎計算的準確性，因此本文畫了3個大小不同的計算網格對離心泵為流體流動進行模擬研究。各種網格尺寸大小下，離心泵的效率和揚程如表1所示。由表2可見，不網格大小模擬效率和揚程大小基本一致，而且與實測值離心泵的基本參數保持一致。因此，模擬過程采用的模型準確，可很好地反映離心泵內的流體流動，同時網格尺寸對模擬結果影響較小。后文的模擬中采用的網格尺寸為導葉部分1 mm，葉輪部分2 mm。

表 1 不同網格大小計算結果

2.2 轉速對離心泵內流體流動影響

圖2所示的是不同轉速下離心泵內的壓力分布。由圖可見葉片處由于高速旋轉，壓力較低，利于將液體吸入泵中，每個葉片的后側壓力要小于前側壓力。流體經過葉片之后進入泵殼之后壓力有所增加，轉速越大泵殼中的流體壓力越大，這主要是由于轉速越高，提供給流體的能量越大。當流體到達出口附近時壓力快速降低，主要是通道的面積增加。

圖 2不同轉速下離心泵內的壓力分布

圖3所示的是不同轉速下離心泵內的速度分布。由圖可見，入口處流速較小，經過葉片的旋轉加速，流體的速度有所增加，而且葉片后側的流速要大于前側，主要是由于葉片的旋轉帶動作用引起的。流體進入泵殼之后流速逐漸增加，葉片的旋轉帶動下，出口的上部流速較大。

圖 3 不同轉速下離心泵內的速度分布

圖4所示的是不同轉速下離心泵內的速度矢量分布。由于葉片旋轉形成的低壓區，流體被吸入泵中，在葉片高速旋轉的帶動下，泵轉速越大葉片周圍的流體速度越大。流體離開葉片去進入泵殼中，沿著泵殼的旋轉方向進入出口位置，最終沿著出口管路離開泵。

圖 4 不同轉速下離心泵內的速度矢量分布

圖5所示的是離心泵中多個特殊位置處的壓力大小比較。由圖可見，從監測點p1到p5泵內的壓力先增大后減小。因為p1點最靠近葉片的旋轉區，因此壓力較小。隨著流體往出口方向流動，流道面積越來越大，因此泵內的壓力逐漸減小。泵轉速越大泵內監測點處的壓力越大，主要是轉速大使監測點處流體流量大。

圖 5 離心泵特殊位置處壓力大小比較

圖6所示的是離心泵中多個特殊位置處的速度大小比較。由圖可見，除了轉速為900 rpm以外，其他兩個轉速條件下，監測點p1到p5的流體速度逐漸增加，這主要是在葉片的作用下，泵內流體逐漸被加速。而在低轉速下，泵內葉片的加速能力有限，導致距離葉片最近的位置p1處的速度最大。同時，不同轉速下，泵出口附近的流體速度相差較小。因此在使用離心泵給農田灌溉的時候要選擇適中的泵轉速，這樣既可以保證一定的灌溉速度，同時也可減少泵的能耗。

圖 6 離心泵特殊位置處速度大小比較

2.3 流速對離心泵內流體流動影響

圖7所示的是不同流速下離心泵內的壓力分布。由圖可見，不同的入口流速下，葉片附近的壓力差異較小，主要是因為流速小則流體流量小，相同的轉速下，葉片帶動流體流動的能力越強，而流速較大時流體流量大，葉片帶動流體流動需要更多的能量。因此，葉片附近的壓力基本相同。隨著流體往泵的出口流動，大流速下泵出口處流體流速較大，泵內出口處的壓力較小。

圖 7 不同流速下離心泵內的壓力分布

圖8所示的是不同流速下離心泵內的速度分布。由圖可見，不同的入口流速下，葉片附近的流體速度差異較小，主要是因為流速小則流體流量小，相同的轉速下，葉片帶動流體流動的能力越強，而流速較大時流體流量大，葉片帶動流體流動需要更多的能量。因此，葉片附近的流體速度基本相同。隨著流體往泵的出口流動，由于流速大造成的流量大使泵出口處流體的速度變大。

圖 8 不同流速下離心泵內的速度分布

圖9所示的是不同流速下離心泵內的速度矢量分布。不同入口流速下，泵的轉速一致，葉片附近的流體沿著葉片進入泵殼。由于葉片的旋轉作用，使得流體在泵出口管路的上方聚集，沿著管路上部離開泵，此時會有一定的流體能量損耗。因此，在選擇入口流速時，需要選在適中值，避免出現大量流體碰撞泵壁而增加能耗。

圖 9 不同流速下離心泵內的速度矢量分布

圖10所示的是離心泵中多個監測點處的壓力大小比較。由圖可見，從監測點p1到p5泵內的壓力先增大后減小。因為p1點最靠近葉片的旋轉區，因此壓力較小。隨著流體往出口方向流動，流道面積越來越大，因此泵內的壓力逐漸減小。不同流速下，監測點p2-p4的壓力差異較小，僅在p1和p5處的壓力差異較大。

圖 10 離心泵監測點處壓力大小比較

圖11所示的是離心泵中多個監測點處的速度大小比較。由圖可見，除了入口流速為2.17 m/s以外，其他兩個流速條件下，監測點p1到p5的流體速度逐漸增加，這主要是在葉片的作用下，泵內流體逐漸被加速。而在高入口流速下，泵流體量大，距離葉片最近的位置p1處的速度最大。同時，不同轉速下，泵出扣附近的流體速度相差較大。因此在使用離心泵給農田灌溉的時候要選擇適中的入口流速，這樣既可以保證一定的灌溉速度，同時也可減少泵的能耗。

圖 11 離心泵監測點處速度大小比較

3 結 論

本文利用CFD軟件對農用離心泵內的流體流動規律進行研究。研究發現每個葉片的后側壓力要小于前側壓力，流體經過葉片之后進入泵殼之后壓力有所增加，轉速越大泵殼中的流體壓力越大，當流體到達出口附近時壓力快速降低。入口處流速較小，經過葉片的旋轉加速，流體的速度有所增加，而且葉片后側的流速要大于前側，主要是由于葉片的旋轉帶動作用引起的。流體進入泵殼之后流速逐漸增加，葉片的旋轉帶動下，出口的上部流速較大。隨著流體遠離葉片流體速度逐漸增加，不同轉速下泵出口附近的流體速度相差較小。使用離心泵給農田灌溉的時候要選擇適中的泵轉速，這樣既可以保證一定的灌溉速度，同時也可減少泵的能耗。不同的入口流速下，葉片附近的流體速度差異較小。隨著流體往泵的出口流動，由于流速大造成的流量大使泵出口處流體的速度變大。不同轉速下，泵出扣附近的流體速度相差較大。因此在使用離心泵給農田灌溉的時候要選擇適中的入口流速，這樣既可以保證一定的灌溉速度，同時也可減少泵的能耗。

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Simulation of Fluid Flow Characteristics in Agricultural Centrifugal Pump

WANG Mei, SONG Zhi-yuan*

541000,

In this paper, CFD simulation technology is used to study the flow law of the pump under different rotational speeds and inlet flow rates. The mesh size used in the simulation has little influence on the results, and the simulation results are verified by the actual values. It is found that under different rotational speeds and flow rates, the fluid velocity near the blade is larger when driven by blade rotation, and decreases when it flows near the outlet. Because the fluid flow in the pump is driven by the blade, the influence of rotational speed on the fluid flow in the pump is obviously greater than that of the inlet velocity. When selecting the centrifugal pump and setting the operating conditions, the speed of the centrifugal pump should be moderate, so as not to avoid energy loss caused by fluid collision. And the inlet flow rate should be moderate, reduce the energy consumption of the blade centrifugal pump and improve efficiency. The results of this study can provide some guidance for the design and use of centrifugal pumps and promote the implementation of agricultural irrigation water saving goals.

Centrifugal pump; flow characteristics; flow simulation

S277.9

A

1000-2324(2022)03-0484-07

10.3969/j.issn.1000-2324.2022.03.022

2022-03-24

2022-05-17

國家自然科學基金(62071135);廣西科技重大專項資助項目(創新驅動發展專項)(桂科AB17292058)

王玫(1963-),女,博士,教授,博士生導師,主要研究方向是音視頻信息感知與處理. E-mail:404128515@qq.com

Author for correspondence. E-mail:songzywangm@163.com