自吸泵内部流动数值计算

林海斌，詹昌海，孙俊雯，伍鹏，赵子龙，李金富，宋健扬，陈秀芹

（衢州学院机械工程学院，浙江 衢州 324000）

0 引言

自吸泵[1-4]属自吸式离心泵，它具有结构紧凑、操作方便、运行平稳、维护容易、效率高、寿命长，并有较强的自吸能力等优点。管路不需安装底阀，工作前只需保证泵体内储有定量引液即可，大大简化了管路系统，改善了工作条件，降低了对工作环境的要求，广泛应用于石油、化工、农业等方面。自吸泵的工作原理是水泵启动前先在泵壳内灌满水（或泵壳内自身存有水），启动后叶轮高速旋转使叶轮槽道中的水流向涡壳，这时入口形成真空，使进水逆止门打开，吸入管内的空气进入泵内，并经叶轮槽道到达外缘。因此自吸泵内部流动的稳定性是检验自吸泵工作稳定性的一大重要指标。基于此，本作品提出了一种针对自吸泵内部流动的数值计算方式，采用Solidworks[5-7]模型对自吸泵内部流动[8-9]在不同截面下进行数值计算，获得初步的不同截面下的静压、动压和总压特征。

1 不同部位截面静压分析

X=0截面静压分析：在X=0截面上，流体从入口处到叶轮处及蜗壳处产生的静压如图1所示。

图1 X=0截面静压图Fig.1 X=0 static pressure diagram of the section

从图1中可以看到，在蜗壳上产生的静压力数值较为稳定，且产生的数值在整个的流动数值计算中的静压是最大的，数值为340kPa。从流体入口到叶轮中心，产生的静压数值也是较为稳定的，且是X=0截面整个静压分析中的最小值，数值大小为40kPa。但较为明显的是，在蜗壳上半部分的距离中心位置较为接近处，产生了数值为20kPa的静压。同时，从叶轮的中心入口处到叶轮的上半部分至顶部，静压数值从中心处的40kPa增大为顶部的280kPa。在叶轮的下半部分产生的静压数值与上半部分有一定的出入，从叶轮中心处到叶轮下半部分的顶部，静压数值从中心处的40kPa增大为顶部的300kPa。

X=0截面蜗壳静压分析：在X=0截面处，流体从入口流入，在蜗壳上产生的静压变化如图2所示。

图2 X=0截面蜗壳静压图Fig.2 X=0 section of volute static pressure diagram

从图2中可以看出，流体流入，在蜗壳上产生的静压数值较为稳定，不管是在蜗壳的上半部分还是在下半部分，产生的静压数值大小都是一样的，数值大小为340kPa。但在叶轮处附近蜗壳的顶部与底部产生了两种不一样的静压，在顶部，产生的静压由近到远数值变化为265～270kPa，在底部，产生的静压由近到远数值变化为305～310kPa。

Y=0截面蜗壳静压分析：在Y=0截面处，流体流入，在蜗壳处产生的静压变化图如图3所示。

图3 Y=0截面蜗壳静压图Fig.3 The static pressure diagram of the volute with Y=0 section

由图3中可以看出位于入口处的蜗壳，产生的静压较为稳定，静压数值大小为20kPa，在整个的Y=0截面上的静压分析中，产生的静压数值是最小的。在入口处两端位置，产生的静压也是较为稳定的，且较为对称，数值大小为340kPa，在整个的Y=0截面上的静压分析中，产生的静压数值是最大的。在其下端，左边位置蜗壳产生大小不一的静压，数值在280～300kPa之间，右边位置蜗壳产生的静压大小也是不一样的，数值在240～280kPa之间，但二者有一个共同点，靠近中心越远，产生的数值就大。

Z=0截面蜗壳静压分析：在Z=0截面处，由于流体流入，对蜗壳产生的静压变化如图4所示。

图4 Z=0截面蜗壳静压图Fig.4 Z=0 section of volute static pressure diagram

在图4中可以看到，在Z=0蜗壳截面上产生的静压大小也是不一样的。其中，在最上部的出口处一直到靠近叶轮蜗壳处所形成的静压大小较为稳定，数值大小为350kPa。而此处的静压数值也是整个截面静压数值的最大值。而在其叶轮蜗壳处产生的静压大小由靠近中心处到边缘，呈增大趋势，数值在190～320kPa之间，其中最大数值产生的位置在叶轮蜗壳处的下半部分，最大数值产生位置在叶轮蜗壳出口处的内边缘上。并且，从叶轮蜗壳出口处到非叶轮蜗壳区域，产生的静压数值在310～350kPa之间。

Z=60截面蜗壳静压分析：在Z=60截面上，内部液体流动对蜗壳产生的静压变化如图5所示。

图5 Z=60截面蜗壳静压图Fig.5 Z=60 section of volute static pressure diagram

在图5中可以看出，在Z=60截面上，流体流动对蜗壳产生的静压大小随着位置的变化而变化的，在蜗壳的右边位置产生的静压数值大部分为342.05kPa，但有一小部分数值为342kPa。蜗壳的左边位置产生的静压变化较多，数值在342～342.05kPa之间。在蜗壳的下端位置，产生的静压数值为342.1kPa。其中较为明显的是，在蜗壳的最左上端位置处，产生数值范围在342.1～342.25kPa之间的静压。此处产生的静压数值在Z=60截面上的静压数值为最大值，最小静压数值产生的位置在颜色较为显蓝的位置处，数值大小为341.75kPa。

Z=0截面叶轮静压分析：由于流体流动，在叶轮上产生的静压大小在不同的位置也是不一样的，具体静压变化如图6所示。

图6 Z=60截面叶轮静压图Fig.6 Z=60 section impeller static pressure chart

从图6中可以看到，叶轮上产生的静压变化还是较为明显的。在离叶轮中心处较为近的位置，也就是叶片根部产生的静压有明显变化，数值在-40～0kPa之间变化。其中，-40～-20kPa范围的静压范围较为少，以0kPa静压范围为主。从叶轮中心处向叶轮外缘方向，静压数值从0kPa转变为180kPa，再从180kPa转变为220kPa。在叶轮边缘处，产生的静压数值变化较不稳定，越靠近边缘，产生的静压数值越大，边缘处的最大静压数值为320kPa。同时，可以看到，在每一张叶片上的最尖锐的位置，产生的静压数值是该叶片上产生的静压数值的最大值，每一叶片上产生的最大静压数值都是不一样的。

2 不同部位截面动压分析

X=0截面动压分析：在X=0截面上，流体从入口处到叶轮转动处的动压数值如图7所示。

图7 X=0截面动压图Fig.7 X=0 section dynamic pressure chart

从图7中可以看到，流体从入口流入，直到叶轮转动处以及蜗壳处，产生的动压较为稳定，数值为20kPa。但在叶轮上，可以看到，是产生这变化的，其中，在叶轮上半部分，动压数值从叶轮中心处，也就是叶轮中心入口处到上半部分，动压数值从20kPa转变为140kPa。但较为明显的是，在其中的两个位置，出现了动压数值为160kPa。但在叶轮上半部分的较宽位置处出现动压下降的现象，动压数值从140kPa转变为60～80kPa。在叶轮的下半部分，出现的动压变化趋势也是从叶轮中心入口处到下半部分，动压数值从20kPa一直上升为200kPa。同样的，在叶轮下半部分的较宽位置处出现动压下降的现象，动压数值从200kPa转变为40 ～80kPa。

X=0截面蜗壳动压分析：在X=0截面上，由于流体流入，在蜗壳上产生的动压数值变化如图8所示。

图8 X=0蜗壳截面动压图Fig.8 X=0 volute section dynamic pressure diagram

从图8中，可以看到，流体从入口流入，在蜗壳X=0截面上的，产生的动压数值还是比较稳定的，数值大小为10kPa。但在叶轮转动区域范围内的蜗壳产生的动压是变化的，其中，在叶轮转动区域范围内的上部分蜗壳处，产生的动压数值为50～80kPa之间，在叶轮转动区域范围内的下部分蜗壳处，产生的动压数值在50～150kPa之间。在蜗壳X=0截面上产生的最大动压值的位置在叶轮转动区域范围内的下部分蜗壳处，产生的最小动压数值位置为数值为10kPa的较大范围处。

Y=0截面蜗壳动压分析：在Y=0截面上流体流入，对蜗壳产生的动压变化如图9所示。

图9 Y=0蜗壳截面动压图Fig.9 Y=0 volute section dynamic pressure diagram

从图9中，可以得知，流体流动，在蜗壳Y=0截面上产生的动压数值变化趋势为，在蜗壳的较大面积处，产生的动压较为稳定，数值大小为10kPa。在其蜗壳的中间位置处产生的动压也是较为稳定的吗，数值大小也是为10kPa。但在蜗壳的下端产生的动压及变化则不一样了，在其下端的左边位置处形成的动压数值在10～140kPa之间变化，而在其下端的右边位置处，形成的动压数值则是在80～140kPa之间变化，但二者有一共同的特性，越往中心接近的位置处，形成的动压数值越大。

Z=0截面蜗壳动压分析：在Z=0截面上流体流入，对蜗壳产生的动压变化如图10所示。

图10 Z=0蜗壳截面动压图Fig.10 Z=0 Dynamic pressure diagram of volute section

从图10中，可以看到，蜗壳在Z=0截面上，从最上端的输出口的蜗壳处一直到叶轮外缘附近的蜗壳处，产生的动压较为稳定，数值大小为10kPa。在叶轮区域处的蜗壳，产生的动压数值较不稳定，数值变化范围在30～90kPa之间变化。其中，在远离中心位置处的蜗壳产生的动压较小，靠近中心处的蜗壳产生的动压数值较大。在叶轮区域蜗壳与叶轮外缘区域蜗壳衔接位置处，动压数值由90kPa到10kPa，呈减小趋势变化。

Z=60截面蜗壳动压分析：在Z=60截面上流体流入，对蜗壳产生的动压变化如图11所示。

图11 Z=60蜗壳截面动压图Fig.11 Z=60 volute section dynamic pressure diagram

从图11中，可以看到，在蜗壳Z=0的截面上，在右边处的蜗壳，产生的动压数值还是较为稳定的，数值大小为0.05kPa。但在其中间位置处，有一区域产生的动压大小为0.15kPa，最右上边顶部，产生了动压数值为0.3～0.5kPa范围的小区域。而在其左边处的蜗壳，产生的动压侧变化较为活跃，在其靠左边缘位置以及左端顶上位置，产生的动压数值在0.15～0.35kPa之间，越往边缘处接近，产生的数值越大。而往里接近的范围位置处，产生的动压较为稳定，数值为0.05kPa，部分范围的位置产生的动压数值大小为0.15kPa。其中，在蜗壳下端靠近中心处位置产生的动压变化较为明显，范围较为小，数值变化范围在0.15～0.5kPa之间变化。

Z=0截面叶轮动压分析：在Z=0截面上流体流入，对叶轮产生的动压变化如图12所示。

图12 Z=0叶轮截面动压图Fig.12 Z=0 Dynamic pressure diagram of impeller section

在图12中可以看到，在叶轮Z=0的截面上，由于流体流动，对叶轮产生的动压变化较为明显，但部分位置还是稳定的。在叶轮靠中心处的范围位置，产生的动压较为稳定，数值为20kPa。同时，越往叶轮边缘处扩展，产生的动压数值呈现增大趋势，数值以20～260kPa的趋势变化。可以看到，在叶轮的边缘处，部分位置产生的动压数值较小，数值大小为20～120kPa之间变化。但在部分叶片边缘位置处也产生的数值较大的动压，数值大小在300～360kPa之间变化，但范围较为小。在整合的叶轮形成的动压变化来看，产生的动压数值大小多以200kPa 范围为主，其次为动压数值为20kPa的范围。

3 不同部位截面总压分析

X=0截面总压分析：流体在泵内流动，在X=0截面上产生的总压变化如图13所示。

图13 X=0截面总压图Fig.13 X=0 total pressure plot of the section

从图13中可以看到，流体从右边的入口处流入，直到叶轮处的中心位置产生的总压数字还是较为稳定的，数值大小为20kPa。同时，在中心位置的上部分以及下部分，产生的总压数值也是较为稳定，数值大小为20kPa，和流体入口到叶轮处中心位置产生的总压数值是一样的。但在叶轮区域处产生的总压数值变化则较为明显，可以看到，在叶轮区域的上部分，产生的总压数值由中心处的20kPa，向边缘处呈增大趋势变化，直到叶轮顶部较窄位置处，产生的总压数值大小为160kPa。但在其最顶部较宽边缘位置处，出现总压变小现象，数值由160kPa转变为60～80kPa之间变化。在叶轮区域的下部分，从中心处的位置一直到边缘较窄部分位置处，产生的总压数值由20kPa到200kPa，呈增大趋势变化，但在其最低部较宽边缘位置处，总压呈现减小趋势变化，数值由200kPa转变为20～60kPa之间变化。

X=0蜗壳总压分析：流体在泵内流动，在蜗壳X=0截面上产生的总压变化如图14所示。

图14 X=0蜗壳截面总压图Fig.14 X=0 total pressure diagram of volute section

在图14中，可以看到流体在泵内流动，对蜗壳在X=0截面上产生的总压在蜗壳右边的，较大联通范围的位置处，较为稳定，总压数值大小350kPa。但是，在叶轮处的蜗壳位置，产生的总压变化明显，在叶轮区域的上部分蜗壳处位置，产生的总压数值由近到远，由两侧到中心处，呈现增大趋势变化，数值在300～350kPa之间变化。而在叶轮区域的下部分蜗壳处位置，产生的总压由两侧到中心处，也是呈现增大趋势变化，数值在310～450kPa之间变化。

Y=0蜗壳总压分析：流体在泵内流动，在蜗壳Y=0截面上产生的总压变化如图15所示。

图15 Y=0蜗壳截面总压图Fig.15 Y=0 total pressure diagram of volute section

在图15中，可以看到，在蜗壳Y=0截面上的上部分的左右两端位置，产生的总压是较为稳定的，数值大小为360kPa。在其中间位置，则产生的总压数值较为小，但较为稳定，数值大小为20kPa，由此看出，上部分由中间向两侧位置所产生的总压呈增大趋势且变化较为稳定。但在蜗壳的下半部分，产生的动压则是变化的，在下半部分的左边位置处，由内侧向外侧，总压数值层减小趋势变化，数值由内侧的380kPa到外侧的360kPa减小变化。在下半部分的右边位置，由边缘处向位置中心处，总压呈现增大趋势变化，数值在320～380kPa之间变化，越向中心处靠拢，产生的动压数值越大。

Z=0蜗壳总压分析：流体流动，在Z=0蜗壳截面处产生的总压变化如图16所示。

图16 Z=0蜗壳截面总压图Fig.16 Z=0 total pressure diagram of volute section

从图16中，可以看到，在其Z=0截面上的出口位置，一直到叶轮附近处的蜗壳部分，产生的总压较为稳定，数值大小为360kPa。而在其叶轮位置处的蜗壳，产生的总压则不稳定，可以看到，越往中心处距离越近的位置，产生的总压数值越大，其中，最大数值为430kPa，最小数值为300kPa。而在叶轮处的蜗壳位置与非叶轮处的蜗壳位置之间也产生一部分数值较大的总压范围，数值大小为380kPa，但其范围则是较小。同时，可以看到，在叶轮处的蜗壳部分较薄位置处，产生的总压数值也是较小的。

Z=60蜗壳总压分析：流体在Z=60蜗壳截面上流动，对其产生的总压变化如图17所示。

从图17发现，在Z=60截面上的蜗壳上，其左边与右边产生的总压还是有较为明显的区别的。在其右边，可以看到，蜗壳较大范围的位置处，产生的总压大小为342.1kPa。但在其靠内边缘位置处，产生的总压大小为342.05kPa，但范围还是较少的。而在其上端位置处，有一范围区域产生的总压数值呈现342.05～341.9kPa的减小趋势。在Z=60截面上的蜗壳上的左边位置处，变化是较为明显，越往外边缘处，产生的总压数值越高，最高值高达342.45kPa，而在其上端与下端位置处，出现总压数值减小的区域，且数值都是在342.05～341.9kPa之间变化，而在其余位置处和最下端位置处总压大小为342.2kPa。

图17 Z=60蜗壳截面总压图Fig.17 Z=60 total pressure diagram of volute section

Z=0叶轮总压分析：流体在泵内流动，对叶轮在Z=0截面上产生的总压变化如图18所示。

图18 Z=0叶轮截面总压图Fig.18 Z=0 total pressure diagram of impeller section

从图18中，可以知道，在叶轮中心处产生的总压数值最小，最小数值为0kPa，而由叶轮中心处向叶轮外缘处方向，总压数值呈现增大趋势变化，产生的总压数值依次为0～50kPa，再从50～150kPa，最后出现的总压大小为400kPa，但在叶轮的边缘处，产生的总压数值较大，产生的总压最大值为600kPa，但是范围较小，整体出现的以总压数值为350kPa所占范围最广，每个叶片的边缘处产生的总压在为叶片中的最大总压值。

4 结论

本文利用Solidworks模型对自吸泵的内部流动情况进行数值计算分析，获得其相关数据，从而提高自吸泵的整体使用性能。通过研究初步发现沿自吸泵叶轮中心处向叶轮外缘处方向，静压、动压和总压数值均呈现增大趋势变化。同时叶轮上产生的最大静压数值、最大动压数值和最大总压数值均出现在叶轮的边缘，但是范围较小。另外，每一张叶片上产生的静压数值的最大值均出现在该叶片最尖锐处，且一叶片上产生的最大静压数值都是不一样的。这在实际应用时可以使我们有较好的数据对自吸泵的工作性能进行优化。