許勝濤，葉 凡，闞 望，周毅鈞

(安徽理工大學(xué)機械工程學(xué)院，安徽淮南 232001)

0 引言

離心泵屬于較常用的節(jié)能高效泵，葉輪是離心泵最主要的過流部件，但也是泵運行中最易損壞的部件［1］。離心泵本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，泵內(nèi)流場復(fù)雜多變，運行時葉輪所受沖擊磨損較大。葉輪在多方面激振力的作用下會產(chǎn)生不規(guī)律的振動，當激振頻率和葉輪固有頻率相近時，共振作用下的葉輪對離心泵的運行會造成重大威脅。因此葉輪的性能將會在很大程度上影響整個離心泵的安全運行。

我國的流動設(shè)計經(jīng)多年發(fā)展積累了豐富的經(jīng)驗，傳統(tǒng)離心泵的水力設(shè)計多依賴于過去的設(shè)計經(jīng)驗，設(shè)計周期長，耗時耗力，而且實際流場情況復(fù)雜多變，使得傳統(tǒng)的流體設(shè)計分析方法的缺點逐漸暴露。筆者根據(jù)離心泵的實際工作情況，分析了內(nèi)部流場的控制方程和RNG k－ε湍流模型，利用SolidWorks［2］軟件完成了葉輪及外部泵體的建模并進行了網(wǎng)格劃分，添加了邊界條件，在Fluent軟件環(huán)境下對不同葉數(shù)的葉輪內(nèi)流場進行了仿真分析［3－4］，得到了速度和靜壓的數(shù)據(jù)，揭示了內(nèi)部復(fù)雜流場的大致情況，為其結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了數(shù)值依據(jù)。

1 三維建模

選用泵的設(shè)計參數(shù)如下:泵吸入口徑為100 mm;排出口徑為80 mm;轉(zhuǎn)速為900 r/min;葉片數(shù)分別為5、8和12。模擬的對象是離心泵葉輪及泵內(nèi)流場情況，分析研究了部件結(jié)構(gòu)后在SolidWorks軟件環(huán)境下建立三維模型［5］，如圖1、2所示。

圖1 離心泵外泵體三維圖

圖2 葉輪三維圖

2 離心泵葉輪流場分析

2.1 控制方程

對于離心泵內(nèi)不可壓縮湍流流體，筆者利用雷諾時均方程分析離心泵內(nèi)部流場［6－7］。三維不可壓流場控制方程為:

式中:Rij是雷諾應(yīng)力張量，其表達式如下:

采用標準的k－ε模型使控制方程封閉。

湍流粘度μt表達式為:μt=ρCμk2/ε

式中:C1ε、C2ε、C3ε為經(jīng)驗常數(shù)，分別取1.44、1.92、0.09;σk為湍動動能所對應(yīng)的的普朗特數(shù)，取σk=1.0; σε為湍動耗散率所對應(yīng)的的普朗特殊，取σε=1.3。

2.2 網(wǎng)格劃分

進口的邊界采用均勻速度場，對于不可壓縮的液體來說，速度邊界條件具有更好的收斂性;出口邊界條件采用自由出流邊界條件;葉輪、蝸殼、進水管道等固壁處采用無滑移的邊界條件。離心泵進口區(qū)域網(wǎng)格劃分采用六面體單元，葉輪、蝸殼和出口區(qū)域采用四面體單元，以適應(yīng)離心泵內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)。手動控制x、y、z方向的網(wǎng)格數(shù)并劃分笛卡爾網(wǎng)格，網(wǎng)格的等尺斜率和等角斜率均控制在0.88以下。對葉輪區(qū)域和蝸舌進行局部網(wǎng)格加密［8－10］，網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分

3 模擬結(jié)果及分析

在Fluent中進行參數(shù)設(shè)定，定義流體屬性為水，入口速度為8 m/s，然后計算結(jié)果收斂。得到不同葉片數(shù)的離心泵內(nèi)部流場的靜壓圖如圖4所示。從圖4可看出從葉輪進口到出口靜壓值是逐漸增大的，在葉輪葉片工作面末端接近后蓋板的地方達到最大。隨著葉輪數(shù)的增加靜壓呈現(xiàn)出明顯變化，12片葉片的葉輪內(nèi)流場靜壓最小且中間層的流態(tài)平穩(wěn)，壓力變化均勻。離心泵葉輪內(nèi)流場速度分布圖如圖5所示，圖5中可看出速度的分布和靜壓一樣，葉輪進口到出口速度是逐漸增大的，在葉輪葉片工作面末端接近后蓋板的地方達到最大。隨著葉輪葉片數(shù)的增加速度分布更加平穩(wěn)均勻，高速區(qū)域面積逐漸減少。

圖4 流場的靜壓分布

圖5 流場的速度分布

4 結(jié)語

利用SolidWorks軟件建立了離心泵葉輪三維模型，利用Fluent對離心泵葉輪內(nèi)流場進行了仿真分析，比較得出不同葉數(shù)下內(nèi)部流場的變化。對其流場進行分析，得出了葉輪內(nèi)部流場區(qū)域的壓力場和速度場分布規(guī)律，捕捉到了葉輪內(nèi)部流場的許多細節(jié)，現(xiàn)代計算機先進技術(shù)為我們充分認識離心泵內(nèi)流場規(guī)律提供了先進的工具。為進一步提高產(chǎn)品設(shè)計水平提供了堅實的基礎(chǔ)。

［1］ 陳乃祥，吳玉林.離心泵［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2003.

［2］ 徐東升.SolidWorks 2005中文版范例入門與提高［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005.

［3］ 劉小兵，曾永忠.水泵內(nèi)部流動的數(shù)值模擬及葉輪的改造［J］.西華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2008，27(3):1－2.

［4］ 王福軍.計算機流體動力學(xué)分析－CFD軟件原理與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

［5］ 張凌飛.離心泵內(nèi)部流場三維數(shù)值模擬［D］.北京:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，2007.

［6］ 翟慶良.湍流新理論及其應(yīng)用［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2009.

［7］ 張兆順，崔桂香，許春曉.湍流理論與建模［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005.

［8］ 曹國強，梁 冰，包明宇.基于FLUENT的葉輪機械三維紊流流場數(shù)值模擬［J］.機械設(shè)計與制造，2005(8):22－24.

［9］ 候樹強，王燦星，林建忠.葉輪機械內(nèi)部流場數(shù)值模擬研究綜述［J］.流體機械，2005，33(5):30－34.

［10］ Kato C，Kaiho M，Manabe A.An Overset Finite－Element Large－Eddy Simulation Method with Applications to Turbo Machinery and Aero acoustics［J］.Journal of Applied Mechanics，2003，70(1): 32－43.