基于Fluent对多级离心泵全流道的性能分析

(山东科技大学机电学院 山东 青岛 266590)

基于Fluent对多级离心泵全流道的性能分析

高鹏刘宁乔羽臧宏昱曹瑞峰

(山东科技大学机电学院山东青岛266590)

本文建立了离心泵的全流道模型，为减少运算时间，只选次级和末级两级叶轮进行模拟分析。基于ANSYS FLUENT软件，采用雷诺时均N-S方程，SIMPLE算法，选择k-ε湍流模型，对其进行模拟分析。在流量不同的条件下得出叶轮和导叶等关键部件的压力、速度以及湍流的分布图,并绘制出了离心泵的性能曲线。最后得出模拟值与实验数据基本吻合。

数值模拟；全流道；效率；扬程

一、引言

离心泵是输送流体的必要设备，在各行各业广泛使用，包括各类工业用泵、农业水利用泵和生活民用泵以及应用于核能发电、火力发电等国民经济重要产业部门的高性能泵。使利用CFD方法实现离心泵的性能预测成为可能。这对于缩减开支，节约人力，缩短周期有重要作用。

本文采用CFD软件FLUENT，在离心泵进行整体流道建模的基础上，通过对不同流量条件下离心泵内部流场的数值模拟研究，获得了叶轮和导叶等关键部件的压力、速度以及湍流的分布图。并通过计算绘制出了效率和扬程的对比图，从而预测出离心泵的性能。

二、三维模型的建立及网格的划分

(一)三维模型的建立

采用SolidWorks对叶轮，导叶以及进、出水段部分进行三维建模，步骤如下：

(1)运用保角变换法，并通过①绘制轴面投影图、②轴面流线图、③作流线方格网、并在方格网上进行叶片绘型、④作轴面截线图、⑤叶片加厚等步骤，绘制出叶片工作面以及背面轴面截线图。

(2)运用SolidWorks旋转叶片轴面截线进行建模，通过“旋转实体”命令，将第1、2、……、12、13，各条轴面截线分别“转换实体应用”后，沿X轴线分别旋转0°、10°、……、110°、120°。

(3)过空间曲线两端点分别作两条3D样条线，以两条3D样条线为引导线进行“放样曲面”形成叶片工作面三维图，以同样作图方法作出叶片背面三维图。并通过“放样曲面”命令形成叶轮叶片的三维实体。最后对叶片进行圆周阵列，绘制出叶轮的三维实体。

在SolidWorks中生成三维模型后，把保存好的流道三维实体的x-t文件导入Gambit中进行水体网格划分，网格类型为混合网格(TetHybird)，网格大小(Spacesize)为6，网格划分完后需要进行网格质量检查，主要检查网格的扭曲度(一般要小于0.9。对要进行模拟的水体网格进行检查，其结果都在0.8左右，符合网格质量要求。叶轮及导叶的网格划分见图2，完成后的网格数量为1906572个。

(二)边界条件的设置

对离心泵内部流动而言，主要存在进口边界、出口边界和固壁边界。

(1)进口边界。对于不可压缩流动，进口边界取为速度入口边界条件(Velocity-inlet)。

(2)出口边界。出口边界上取自由出流边界条件(Outflow)。

(3)固壁边界。对于叶轮叶片的工作面和背面都设置为固壁边界(Wall)，且固壁表面取为无滑移边界条件。湍流计算采用标准壁面函数法确定固壁附近流动。

二、控制方程及湍流模型

为分析不同流量对多级离心泵扬程效率的影响，对多级离心泵进行内部流场模拟，其模型设置为：采用雷诺时均N-S方程，参考压力选为标准大气压，不考虑重力，流体按湍流对待，选择k-ε湍流模型，采用Simplec算法。

三、模拟结果分析

多级离心泵流道总压分布,从整体上来看,该离心泵内部总压是随着流体流动的方向逐渐增大的,即进水段压力最小,伴随着流体流过首级、次级压力也不断增大,且出水段的总压最大。总压逐渐增大,表示流体的能量不断增大。

两级叶轮的静压分布图。其分布趋势与多级离心泵整体分布趋势相同,即随着级数的增大,压力呈上升趋势。且在每一级叶轮中,压力均随着流体流动的方向增大,即压力从叶轮的入口到叶轮的出口,压力呈不断增大的趋势。

四、性能预测

本文性能预测的关键是对不同流量下离心泵效率和扬程的计算，通过Fluent软件的数值模拟，可以得出离心泵轴的扭矩和整体流道进、出口的压力差，从而计算出离心泵的扬程和效率，并对离心泵的性能进行预测。

根据Fluent的数值模拟，经过计算得出不同流量条件下离心泵的扬程和效率，具体趋势对比如图1、2:

图1 扬程-流量曲线对比图

图2 效率-流量曲线对比图

本次模拟得出了不同流量条件下的扬程和效率，由图1、2可以看出仿真结果与实验结果基本吻合，符合扬程随流量的增大而减小的趋势，以及效率随流量的增大先增大后减小的趋势，以上表明此离心泵的设计较为合理。

五、结论

本文运用CFD技术对在不同流量条件下的离心泵进行了全流道整体模型的数值模拟计算，得出以下结论：

(1)多级离心泵内压力从进口到出口整体上呈现增大的趋势,叶轮内的压力分布也呈现出相同的变化趋势,随着级数的上升,压力增大。并且,在每级叶轮内,叶轮内压力从进口至出口也是不断的增大。

(2)在不同流量条件下由图5、6得出扬程随流量的增大而减小，效率随流量的增大先增大后减小。总体趋势符合离心泵的工作原理。

以上结论都是在对离心泵进行整体流道建模的基础上进行数值模拟得出的，从而考虑了多级泵中的入口处，出口处和泵中各级之间的相互影响，所以得出误差更小，计算结果更加准确，并为以后离心泵水力设计的优化以及机构件刚度和强度的校核提供了依据。

高鹏(1990-)，男，研究生，山东科技大学，研究方向流体机械。