数值模拟在离心泵性能研究中的应用进展

党明岩，王复兴

(沈阳理工大学 环境与化学工程学院，辽宁 沈阳 110159)

0 引言

离心泵是化工生产中常用的一种流体输送机械，它结构简单、体积小、流量大、重量轻，常被用于不同压力、不同黏度的液体物料输送.在对离心泵的性能研究中，通常需要大量的实验数据才能绘制出其性能曲线.计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)是计算机科学和流体力学相互融合的一门新兴交叉学科.近些年来，随着CFD软件的发展，数值模拟为离心泵的性能分析提供了新的方式.在CFD商用软件中，Ansys软件独占鳌头.目前，Ansys软件在国内外的应用范围越来越大，基于Ansys对化工设备进行数值模拟已经成为很多研究者经常采用的研究方法.

本文结合国内外学者采用Ansys软件对离心泵进行数值分析的研究现状，总结了数值分析过程中湍流模型的选取及数值分析方法在离心泵性能研究中的发展现状.

1 离心泵内流场湍流模型的选用

湍流模型的选取对数值模拟的精确性有重要的影响.在Ansys的湍流模型中，包含了低Reynolds数Wilcox模型、微分Reynolds应力模型、κ-ε模型、低Reynolds数κ-ε模型、微分Reynolds通量模型、代数Reynolds应力模型、大涡模型和SST模型.其中，κ-ε模型本身具有经济性、稳定性及较高的计算精度，在模型的选用中应用最广.在湍流模型的选取上，张绒[1]等应用Navier-Stokes方程(N-S方程)与标准κ-ε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.汪正阳[2]等基于Rayleigh-Plesset方程的输运空化模型,选用标准κ-ε湍流模型模拟了离心泵内流场空化特性.标准κ-ε湍流模型在旋流等非均匀湍流问题分析中存在较大的误差，后来人们引入了RNG κ-ε湍流模型.标准κ-ε模型属于高雷诺数模型，但是改进后的RNG κ-ε湍流模型能够计算低雷诺数效应.剪切应力运输κ-ε模型简称为SST κ-ε模型，因为在湍流运算黏度中考虑了湍流剪切应力，所以适用性更加广泛.

廉益超[3]等结合RNG κ-ε湍流模型, 采用雷诺时均方法分析了导叶时序对泵压力脉动、能量性能、叶片载荷方面的影响.刘媛媛[4]等采用改进的Kubota空化模型和RNG κ-ε湍流模型对空化流动进行了数值求解.赵伟国[5]等利用Kubota 空化模型及修正过的SST κ-ε湍流模型，对不同空化数下的离心泵内流场结构进行非定常与定常空化模拟.Gamal R H[6]等采用标准κ-ε和RNG κ-ε湍流模型分析了叶片数目对离心泵的影响.罗兴锜[7]等基于欧拉-拉非均相流模型及SST 湍流模型，求解气液两相流离心泵的三维湍流流场.

根据离心泵不同的操作特性，可选用更具有针对性的湍流模型，但是每种湍流模型都有其优缺点，选用不同的湍流模型后，产生的计算结果可能会存在一定差异.根据不同的湍流模型对离心泵的适用性，分析不同的湍流模型在离心泵设计研究中的应用，研究其流场的内部流动和性能的变化情况，从而改善离心泵性能，提高离心泵的效率.

2 数值模拟在离心泵机械性能研究中的应用

数值模拟主要应用于离心泵的流场模拟和零部件的优化设计等方面，以下从几个方面对数值模拟方法在离心泵性能研究中的应用进行综述.

2.1 数值模拟在叶轮对离心泵性能的影响中的应用

叶轮是离心泵的核心部件，在离心泵的设计研究上，为了实现多级离心泵的小型化及性能的改进，Ming Guo[8]等重新设计叶片、叶轮和扩散器等，并采用Ansys-CFX对离心泵模型进行了数值模拟，通过模拟实验可知，新设计的离心泵具有更高的效率和更平滑的内部流动特性，这意味着多级泵模型的性能得到了改善，也实现了小型化.在串联叶片对离心泵的影响方面，Xiaobing Shi[9]等提出了一种改善离心泵的内部流动特性和整体性能的新方法，利用SST κ-ε湍流模型，对带有串联叶片的离心泵中的三维湍流场进行了模拟和分析，研究了串联叶片对离心泵内部流量和性能特性的影响，比较了串联叶片式叶轮与常规单排叶片式叶轮的预测速度、压力分布、流动特性.结果表明，离心式串联叶片式叶轮在叶轮排出流的均匀性方面显示出显著优势，在低流量条件下一定程度上能够消除驼峰现象，并且串联叶片式叶轮在更宽的工作范围内具有更好的水力性能和更高的可靠性.在水力性能上，房煦峰[10]等通过所搭建闭式实验台上的水力测试，采用SST κ-ε湍流模型，结合Ansys-CFX软件，对该泵水力部件进行了数值模拟研究，得到了不同叶轮转速下的水力性能曲线，验证了该泵在变转速下良好的水力性能.

2.2 数值模拟在泄漏涡对离心泵性能的影响中的应用

离心泵的泄漏涡会影响系统的运行稳定性，且对离心泵的效率有较大影响.在叶顶间隙泄漏涡的研究方面，王李科[11]等改进了泄漏涡的结构特征和泄漏流速度分布，采用Ansys-CFX软件和SST κ-ε湍流模型，通过求解动量守恒方程和不可压缩流体的连续性方程，对泄漏涡运动轨迹和结构特征进行了数值模拟计算和分析，得到的外特性曲线与试验值吻合较好.

卢金玲、王李科[12]等为研究半开式离心泵叶顶间隙区域的非定常流动特性问题，依旧采用SST κ-ε湍流模型对离心泵做了全管道数值模拟，分析了叶片载荷与泄漏涡轨迹的相关机理及泄漏涡的频谱特性，得出了叶顶间隙非定常流动的改进方案.倪玉峰[13]等针对离心泵密封泄露问题，提出了增加液位控制泵、确定合理的釜底液位联锁值的改进方法，通过CFD软件选用标准κ-ε湍流模型，分析得出该改动可有效解决离心泵密封的问题.

在尖端泄漏涡的研究方面，Like Wang[14]等基于N-S方程，利用Ansys-CFX模拟了离心泵在尖端间隙区域中尖端泄漏涡特性和耗散机理，以研究尖端泄漏涡的结构特征及其对内部流场的影响，并使用相对涡度输运方程分析了尖端泄漏涡对离心泵性能的影响.

2.3 数值模拟在空化对离心泵性能的影响中的应用

离心泵空化是指液态水流中的蒸汽气泡等中空形成物的产生和突然破裂而造成离心泵的震动、噪声、侵蚀等不良后果，是困扰离心泵性能的核心问题之一.在空化性能的影响方面，丛小青[15]等应用Ansys-CFX数值模拟软件，对比分析了有无口环间隙模型泵在不同空化系数下的空化性能，得出了叶轮口环间隙越大则泵空化性能越好的结论，为进一步研究其他工况下空化引起的一系列问题奠定了基础.

杨从新[16]等基于RNG κ-ε湍流模型、Zwart-Gerber-Belamri和Sauer&Schnerr空化模型，对各模型泵进行了三维定常两相、单相空化数值模拟，分析了不同叶片的进口边位置对空化现象的影响.赵伟国[17-18]等为了改善低比转速离心泵内的空化流动状态，提出了一种叶片设置缝隙的被动控制方法，通过采用Kubota空化模型和修正的SST κ-ε湍流模型进行数值模拟，得到了各个空化阶段的流场结构及压力脉动特性；同时，还提出了运用在叶片压力面开槽的方法来抑制空化，从而进一步提高低比转数离心泵的空化性能，针对离心泵运行过程中产生空化的流动特点，通过数值模拟分析发现，经过改进的叶片对离心泵内各个阶段空化均有抑制作用.

牟介刚[19]等为了提高离心泵的抗空化特性，基于仿生学原理，在离心泵叶片易发生空化的位置布置圆形仿生非光滑表面结构，通过数值模拟得出了圆形非光滑表面叶片对空化有很好的抑制作用的结论.同时，牟介刚[20]等分析了长短交错叶片对离心泵空蚀特性的影响，得出了长叶片离心泵最容易发生空化产生空蚀损伤的结论.

夏远志[21]等针对离心泵空化状态识别难的问题做了空化模拟实验.曹玉良[22]等对Kunz、Singhal、Zwart-Gerber-Belamri和Schnerr-Sauer 4种空化模型,以及标准κ-ε、RNG κ-ε和SST 3种湍流模型，这7种模型在水泵空化数值模拟中的应用情况进行了分析.孟根其其格[23]等同样基于SST κ-ε湍流模型及Zwart-Gerber-Belamri空化模型对双吸离心泵内部流动进行了数值模拟，分析了有效空化余量、扬程下降及突降的原因.罗旭[24]等基于RNG κ-ε模型和Rayleigh-Plesset空化模型在不同空化程度下对高速离心泵进行数值模拟，得出了不同流量工况下空化的水力性能影响效果.

2.4 数值模拟在其他方面对离心泵性能的影响中的应用

在间隙问题上，Trupen Parikh[25]等通过SST κ-ε模型进行湍流建模，也进行了一系列的研究，仿真数据与实验结果吻合度很高.

Fan Zhang[26]等应用计算流体动力学-人口平衡模型(CFD-PBM)来研究离心泵气液两相流中的气体分布和流动机理，在数值模拟中准确地捕捉到了聚结和破裂演化过程中的气泡分布特征.通过对气泡集中区域的判断，对多相流下的泵性能和内部气泡直径分布给出了很好的预测.在套管和黏合剂涂层的表面粗糙度对离心泵效率的影响上，Padmakar A[27]等使用Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程对泵的几何模型进行了3D仿真，得出了相应的结论.

在离心泵噪声相关方面，凌素琴[28]等通过实验检测的方法测量不同比转数叶轮的离心泵在改变转速的情况下上下游的水流噪声,研究泵的上下游声压级差与泵转速、轮舌间隙的关系.周新一[29]等以声学相似原理为依据,通过对流体动力噪声基本理论的研究分析,在建立水(气)动声学主要相似关系的基础上,研究了由于不满足雷诺数一致而可能导致的相似关系的破坏及需要进行的相应修正.在节能环保方面，秦继宏[30]等人根据市场调研的结论和用户的迫切需求，设计出了节能高效、平稳可靠的离心泵，通过取消平衡盘使泵运行达到自平衡状态,其技术处于国内领先地位.

3 离心泵水力性能数值模拟分析

在对离心泵水力性能的研究上，杨敬江[31]等为得到水力性能优良的双蜗壳离心泵，通过对蜗壳的改进，基于RANS方程，在湍流充分发展区选用标准κ-ε模型，采用Ansys软件对蜗壳改进后的离心泵进行了水力性能分析，实验表明，改进后的离心泵能够提高水力效率.刘宇宁[32]通过理论分析、数值计算和试验相结合的方法，采用RNG κ-ε湍流模型，对叶片曲率半径变化对水力性能的影响进行了研究，为提高多级离心泵水力性能的数值模拟精度、水力性能优化提供有价值的理论参考和方向指导.在离心泵背叶片宽度的改变对离心泵水力性能的影响研究上，汪岩飞[33]等通过Ansys软件对各方案下的模型泵进行了全流道数值计算，得到了背叶片宽度对离心泵外特性与后泵腔流场分布的影响规律，为后续工程研究提供了一定的借鉴.

前口环间隙是密封环与叶轮前口环形成的径向间隙,对离心泵水力性能的影响比较大.金贵龙[34]在研究上自主搭建了离心泵试验台，采用实验与数值模拟软件相结合的方法，研究了前口环间隙对离心泵水力性能的影响，为后续研究提供了相应的实验依据.在面积梯度控制对离心泵水力性能的影响上，刘志远[35]采用理论分析、数值计算和试验验证相结合的方法对径向导叶的正导叶进行水力优化研究，采用RNG κ-ε湍流模型和标准壁面函数进行数值计算,通过分析表明，改进后的离心泵降低了径向导叶水力损失，提高了整机效率.

赵万勇[36]等借助Ansys软件对离心泵4种不同的径向长度过渡流道模型进行了数值模拟，得出了随着径向长度的增大，过渡流道内部的水力损失越严重，离心泵的性能越差的结论.高振军[37]等分别设计了5种不同叶片包角的双吸泵，来研究叶片包角对双吸泵内部流场及水力性能的影响规律，通过数值模拟与试验相结合对水力性能进行了综合分析，研究表明，合理增大叶片包角可以改善内流场的压力分布和速度分布，并且可以提高泵的扬程和效率.

在叶片数对水力性能的影响上，马亮亮[38]模拟3种不同比转速离心泵的5种叶片数方案, 基于SST κ-ε湍流模型对各方案进行数值模拟,并与离心泵整机试验结果对比，验证数值计算的准确性，研究了不同流量工况下扬程和水力效率的变化.在离心泵蜗壳出口位置的研究上，李尚升[39]以3台不同比转速的离心泵作为研究对象，选用5种结构类型的蜗壳,通过对外特性曲线，不同出口位置蜗壳定常数值的分析，研究了蜗壳出口位置变化对离心泵的流动特性的影响.在离心泵分流叶片几何参数的选择上，王恒[40]以低比转速离心泵作为研究对象, 针对SST κ-ε湍流模型计算离心泵外特性结果误差较大的问题,通过改变模型参数，采用分流叶片设计法,通过数值模拟分析探究了分流叶片几何参数对离心泵性能的影响.

4 结语

近年来，随着流体力学及计算机软件科学的不断发展，数值模拟为离心泵的性能分析提供了新的研究方式，从离心泵的外部结构设计，到内部流场特性的研究，为离心泵的数值模拟研究提供了可能性.相比传统的离心泵设计和性能研究方法，数值模拟方法可为实际操作提供近乎精确的理论数据支撑，大大促进了离心泵的性能分析等方面研究的快速发展.