离心泵建模及其流场模拟分析研究*

许胜涛，叶 凡，阚 望，周毅钧

(安徽理工大学机械工程学院，安徽淮南 232001)

0 引言

离心泵属于较常用的节能高效泵，叶轮是离心泵最主要的过流部件，但也是泵运行中最易损坏的部件［1］。离心泵本身结构复杂，泵内流场复杂多变，运行时叶轮所受冲击磨损较大。叶轮在多方面激振力的作用下会产生不规律的振动，当激振频率和叶轮固有频率相近时，共振作用下的叶轮对离心泵的运行会造成重大威胁。因此叶轮的性能将会在很大程度上影响整个离心泵的安全运行。

我国的流动设计经多年发展积累了丰富的经验，传统离心泵的水力设计多依赖于过去的设计经验，设计周期长，耗时耗力，而且实际流场情况复杂多变，使得传统的流体设计分析方法的缺点逐渐暴露。笔者根据离心泵的实际工作情况，分析了内部流场的控制方程和RNG k－ε湍流模型，利用SolidWorks［2］软件完成了叶轮及外部泵体的建模并进行了网格划分，添加了边界条件，在Fluent软件环境下对不同叶数的叶轮内流场进行了仿真分析［3－4］，得到了速度和静压的数据，揭示了内部复杂流场的大致情况，为其结构设计提供了数值依据。

1 三维建模

选用泵的设计参数如下:泵吸入口径为100 mm;排出口径为80 mm;转速为900 r/min;叶片数分别为5、8和12。模拟的对象是离心泵叶轮及泵内流场情况，分析研究了部件结构后在SolidWorks软件环境下建立三维模型［5］，如图1、2所示。

图1 离心泵外泵体三维图

图2 叶轮三维图

2 离心泵叶轮流场分析

2.1 控制方程

对于离心泵内不可压缩湍流流体，笔者利用雷诺时均方程分析离心泵内部流场［6－7］。三维不可压流场控制方程为:

式中:Rij是雷诺应力张量，其表达式如下:

采用标准的k－ε模型使控制方程封闭。

湍流粘度μt表达式为:μt=ρCμk2/ε

式中:C1ε、C2ε、C3ε为经验常数，分别取1.44、1.92、0.09;σk为湍动动能所对应的的普朗特数，取σk=1.0; σε为湍动耗散率所对应的的普朗特殊，取σε=1.3。

2.2 网格划分

进口的边界采用均匀速度场，对于不可压缩的液体来说，速度边界条件具有更好的收敛性;出口边界条件采用自由出流边界条件;叶轮、蜗壳、进水管道等固壁处采用无滑移的边界条件。离心泵进口区域网格划分采用六面体单元，叶轮、蜗壳和出口区域采用四面体单元，以适应离心泵内部复杂结构。手动控制x、y、z方向的网格数并划分笛卡尔网格，网格的等尺斜率和等角斜率均控制在0.88以下。对叶轮区域和蜗舌进行局部网格加密［8－10］，网格模型如图3所示。

图3 网格划分

3 模拟结果及分析

在Fluent中进行参数设定，定义流体属性为水，入口速度为8 m/s，然后计算结果收敛。得到不同叶片数的离心泵内部流场的静压图如图4所示。从图4可看出从叶轮进口到出口静压值是逐渐增大的，在叶轮叶片工作面末端接近后盖板的地方达到最大。随着叶轮数的增加静压呈现出明显变化，12片叶片的叶轮内流场静压最小且中间层的流态平稳，压力变化均匀。离心泵叶轮内流场速度分布图如图5所示，图5中可看出速度的分布和静压一样，叶轮进口到出口速度是逐渐增大的，在叶轮叶片工作面末端接近后盖板的地方达到最大。随着叶轮叶片数的增加速度分布更加平稳均匀，高速区域面积逐渐减少。

图4 流场的静压分布

图5 流场的速度分布

4 结语

利用SolidWorks软件建立了离心泵叶轮三维模型，利用Fluent对离心泵叶轮内流场进行了仿真分析，比较得出不同叶数下内部流场的变化。对其流场进行分析，得出了叶轮内部流场区域的压力场和速度场分布规律，捕捉到了叶轮内部流场的许多细节，现代计算机先进技术为我们充分认识离心泵内流场规律提供了先进的工具。为进一步提高产品设计水平提供了坚实的基础。

［1］ 陈乃祥，吴玉林.离心泵［M］.北京:机械工业出版社，2003.

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