基于C F D的某型号离心泵流场数值模拟

2017-03-08黄志来

装备制造技术 2017年12期

傅飞，黄志来

（1.中冶华天工程技术有限公司，安徽马鞍山243005；2.安徽工业大学机械工程学院，安徽马鞍山 243002）

离心泵是旋转类机械设备，广泛应用于各种工业场所中[1-2]，随着高速发展的工业技术，对离心泵设计有了更高的要求，比如：订单式设计、低成本等。传统的离心泵设计方法主要是基于一元理论、流动相似理论以及Euler理论，如：设计系数法和模型换算法等方法[3-4]。这些方法需要先试制样机，然后进行样机性能实测，通过测试结果修改设计方案，这个过程往往需要反复多次进行，才能得到符合要求的设计方案，导致其设计的周期比较长，同时设计成本也会比较高。

为追求低成本的同时，提高设计效率，基于数值模拟计算的仿真设计方法成为大势所趋[6]。高速发展的计算技术，为实现复杂的流动问题实现数值模拟提供了技术支撑。计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）属于数值计算方法，专门为了解决各类流动问题，首先建立离散化的数值模型，然后通过计算机求解对应的模型，最终得到其对应的数值解。

本文首先用三维建模软件Pro/E建立根据经验设计出的离心泵的三维模型，然后用商业CFD软件FLUENT进行离心泵流场的模拟分析，完成离心泵的流场状况可视化，利用FLUENT的面积分，获得离心泵进口处和出口处的压力，利用伯努利方程就可以估计出离心泵在不同工况下的扬程，通过仿真计算目的在于代替或减少了物理实测，从而加快研发速度，同时降低研发成本。

1 模型建立

根据设计尺寸，利用Pro/E软件建立离心泵流道的三维模型，如图1所示。采用于体网格划分方法中的混合网格划分网格，得到的内部流场的网格模型图如图2所示。流动介质为常压常温情况下的水。

图1 离心泵的三维模型

图2 内部流场的网格模型图

根据实际工况，出口边界设备为出流边界，各壁面设置为无滑移面。叶轮设置成移动面，其他面设置成静止面。进口边界中的湍动能k和湍动能耗散率ε由下式确定[7]：

式中：vav为进口平均速度，I为湍动强度，L为特征强度。

2 模拟计算结果

在不同流量工况下离心泵的流场压力云图如图3所示。

图3 不同流量下的压力云图

图3a、图3b和图3c分别是小流量工况（7.0m3/h）、设计流量工况（8.0m3/h）和大流量工况（9.0m3/h）三种工况下离心泵的流场压力云图，从云图可知，叶片工作面以及背面均存负压区，这结果与实践统计中叶轮发生汽蚀的部位吻合。相同半径位置，叶轮的工作面处流场压力大于背面处流场压力，并且流场压力在叶轮顶部达到最大值。随着流量的增加，出口处流场的压力变得不再均匀，这是因为叶轮做功增大使得流体的碰撞加剧，出口处流场回流严重，造成了出口处流场整流效果变差。

在不同流量工况下离心泵的流场速度矢量云图如图4、图5和图6所示。