基于CFD的离心泵三维内流场的数值模拟

基于CFD的离心泵三维内流场的数值模拟张绒ZHANGRong曰彭建锋PENGJian-feng曰赵藤ZHAOTeng曰张丹ZHANGDan曰李文浩LIWen-hao（重庆交通大学，重庆400074）

（ChongqingJiaotongUniversity，Chongqing400074，China）

摘要院为了研究离心泵内部流场的流动规律，基于CFD技术，应用雷诺时均N-S方程与标准k-着湍流模型对不同工况下二级离

心泵内部的三维湍流流动进行了数值模拟，并对其内部的流动状态进行了分析，得到了离心泵内部流场的压力分布规律。结果表明：随着出口流量不断增大，泵的整体压力逐渐减小，各级叶轮的压力逐渐减小，叶轮的速度值逐渐增大。在相同条件下，离心泵进口到出口的压力逐渐增大，各级叶轮中的静压值径向逐渐增大，且次级叶轮的压力值比首级叶轮的压力值大。

Abstract:Inordertostudytheflowlawoftheinternalflowfieldofcentrifugalpump,basedonCFDtechnology,theReynoldstime-averagedNSequationandthestandardk-着turbulencemodelareusedtonumericallysimulatethethree-dimensionalturbulentflowinsidethetwo-stagecentrifugalpumpunderdifferentworkingconditions.Theinternalflowstatewasanalyzed,andthepressuredistributionoftheinternalflowfieldofthecentrifugalpumpwereobtained.Theresultsshowthatastheoutletflowrateincreases,theoverallpressureofthepumpgraduallydecreases,thepressureoftheimpellersateachlevelgraduallydecreases,andthespeedvalueoftheimpellergraduallyincreases.Underthesameconditions,thepressurefromtheinlettotheoutletofthecentrifugalpumpgraduallyincreases,andthestaticpressurevalueintheimpellersofeachstagegraduallyincreasesgradually,andthepressurevalueofthesecondaryimpellerislargerthanthepressurevalueofthefirststageimpeller.

关键词院离心泵；不同工况；CFD；流场分析Keywords:centrifugalpump；differentworkingconditions；CFD；flowfieldanalysis

0引言离心泵作为一种核心设备在农业、水利、工业等领域中都获得了广泛的应用。叶轮是离心泵的核心部件，其性能影响了整个泵的工作效率。所以，对叶轮内部流场流动状态进行分析与研究，既能得到泵内部流场的流动规律，也能提高离心泵的效率，改善离心泵的性能。CouiterDelgosha等[1]利用CFD仿真和试验对离心泵的汽蚀进行了研究。Nohmi等[2]结合Stard-CD与CFX软件，通过编程写入自己构建的模型，研究了离心泵的空化，所得到的结果与实验值较为接近。刘厚林等[3]应用双向流固耦合方法对导叶式离心泵的外特性和内流场进行分析，研究流固耦合作用对外特性影响的内流机理，结果表明，流固耦合作用产生叶轮出口处的较大变形是导致离心泵外特性预测值变化的主要原因。李凤琴[4]等用RNGk-着湍流模型和SIMPLE算法，对小流量工况下低比转速离心泵内部流动特性问题进行了研究，结果显示，随着流量降低，离心泵内部的流态十分紊乱。王凯[5]基于离心泵能量性能计算模型和全局优化算法建立一种离心泵多工况水力性能优化设计方法，并将此方法应用到离心泵水力优化设计中，进一步提高了离心泵的水力效率。此外，还有很多国内外学者对离心泵内部流场流动进行不同程度的研究，并取得了一收稿日期院2019年6月20日。

基金项目院重庆市研究生教育创新基金项目（CYS18226）；

1000MW核电站离心式上充泵关键技术及工程应用研究（cstc2017zdcy-zdyf0169）。

作者简介院张绒（1994原），女，云南昆明人，硕士研究生，研究方向

为水动力学、船舶与海洋工程。

定成果[6-8]。本文为研究离心泵内部流场的流动规律，应用Pumplinx软件，采用雷诺平均N-S方程与标准k-着湍流模型，对不同工况下的二级离心泵进行全流场的三维定常湍流数值模拟，并对所得到的结果进行分析，为多级离心泵的水力性能研究提供一定的参考。1计算模型1.1三维模型本文以二级离心泵为计算模型，其性能参数分别为：流量Q越120m3/h，扬程H越120~152m，转速n越2500r/min，叶片数Z=8，叶轮进口直径为155mm，叶轮外径为326mm，叶轮出口宽度为12.5mm。采用UG分别对二级离心泵的环形吸入室、蜗壳出口、首级叶轮、次级叶轮、过渡流道进行三维建模。为使流场充分发展，应适当延长环形吸入室和蜗壳出口。图1为叶轮水体模型图，图2为离心泵三维水体计算域的装配图。要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要图1叶轮水体模型

·96·图2二级离心泵流场水体装配模型

1.2网格划分采用结构化网格对首级叶轮、次级叶轮、吸入室、出口流道及过渡流到进行了网格划分，并对模型中局部及重点区域进行局部加密处理。各计算域的网格数分别为首级叶轮315274，次级叶轮303047，吸入室237608，蜗壳出口流道1288043233349。，过图3渡为流二级道离心198747泵计算，全域流网道格的划网分格图单元数。为图3二级离心泵计算域网格

2数值模拟2.1控制方程对二级离心泵进行全流场三维定常数值计算时，假设介质为不可压缩流体，对N-S方程进行时均化处理后得到的雷诺时均方程的张量表达式为[9]：（1）式中为瞬时速度的脉动值。对于定常、不可压缩流动，忽略体积力fi，上式可以改写为：（2）2.2湍流模型本文采用标准k-着湍流模型，在相对坐标系中，湍动能k和耗散率着之间的关系为：（3）（4）式中：Gk为平均速度引起的湍动能k的产生项；Gb为内燃机与配件浮力引起的湍动能k的产生项；Y0.09贡献；CM为可压湍流中脉动扩张的1着，C2着，C3着为经验常数C1着=1.44，C2Prandt，滓l常滓着k和数着，分滓别是与湍流能k和湍动耗散率=1.92着对，应C3的着=着=1.3，滓k=1.0，S着和Sk是用户定义的源项[10]；滋t为湍动粘度。2.3边界条件设置对离心泵进行多工况数值计算的过程中，进口采用压力进口条件，进口总压为1个标准大气压；出口为质量流量出口；近壁面处采用标准壁面函数，固壁面上的各节点采用绝热无滑移壁面边界条件；在旋转域与静止域之间设置交界面。3计算结果与分析3.1计算工况的选择本文一共对6种不同流量下的二级离心泵进行数值计算，从而根据计算结果分析离心泵叶轮的速度、压力分布规律。研究所采取的工况点如表1所示。表1计算工况表

序号流量m31/h转速22500r/min310075411025005120250061502500160250025003.2整体压力场分析图4为6种不同工况下离心泵的压力分布。可以看出：随着出口流量不断增大，泵的整体压力逐渐减小；水体经过旋转叶轮做功，进口到出口的压力逐渐增大。吸入室进口及蜗壳出口压力分布比较均匀，无太大波动。（a）工况1

（b）工况2

InternalCombustionEngine&Parts（c）工况3

（d）工况4（e）工况5

（f）工况6

图4整体流场压力分布

3.3叶轮压力场分析图5为不同工况下离心泵首级叶轮和次级叶轮中的压力分布。可以看出：随着流量不断增大，各级叶轮的压力逐渐减小；相同条件下，离心泵各级叶轮中的静压值径向逐渐增大，且随着离心泵叶轮级数逐渐增加，压力逐渐增大，即次级叶轮的压力值比首级叶轮的压力值大。·97·（a1）工况1首级叶轮

（a2）工况1次级叶轮

（b1）工况2首级叶轮

（b2）工况2次级叶轮

（c1）工况3首级叶轮

98·（c2）工况3次级叶轮

（d1）工况4首级叶轮

（d2）工况4次级叶轮

（e1）工况5首级叶轮

（e2）工况5次级叶轮

内燃机与配件（f1）工况6首级叶轮

（f2）工况6次级叶轮

图5首级叶轮和次级叶轮的压力分布

4随着淤出通结论口过对不同流量逐渐工况下增大，离心离心泵泵整的体整压体力压图力的逐分析渐减，小表；明在相同工况条件下，进口到出口的压力逐渐增大。于首级叶轮和次级叶轮的压力值随着出口流量的增大而减小；压力值随着离心泵叶轮级数的增加逐级增大，即次级叶轮的压力远大于首级叶轮的压力。参考文献Experimental[1]Couiter院

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