翟浩然（中石化濟(jì)南分公司，山東 濟(jì)南 250000）

離心泵流場的CFD模擬研究

翟浩然（中石化濟(jì)南分公司，山東 濟(jì)南 250000）

理解和掌握離心泵內(nèi)部流場對其操作和穩(wěn)定性有著重要的意義。本文利用CFD方法結(jié)合多參考系(MRF)方法對離心泵內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬研究。通過分析離心泵靜壓和流體速度矢量可以發(fā)現(xiàn)，離心泵在蝸舌附近容易發(fā)生回流，從而對蝸殼和泵體本身造成沖擊。分析其現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，這可能是由于蝸舌和葉輪的間距較大造成的。

離心泵;數(shù)值模擬;計(jì)算流體力學(xué)

離心泵在石油化工領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，為化工過程的流體輸送提供動力來源，其工作原理是通過葉片的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力來產(chǎn)生壓頭。理解和掌握離心泵內(nèi)部流場對其操作和穩(wěn)定性有著重要的意義。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算能力的發(fā)展和進(jìn)步，計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法越來越廣泛的用于化工過程的模擬研究。利用CFD模擬可以在較短的時(shí)間里得到流場詳細(xì)的信息，不僅為實(shí)驗(yàn)提供指導(dǎo)，還可以為化工設(shè)備的優(yōu)化操作和設(shè)計(jì)放大提供理論基礎(chǔ)。本文采用CFD模擬方法，對某離心泵流動特性進(jìn)行數(shù)值模擬，獲取離心泵內(nèi)流場信息，為離心泵的優(yōu)化操作和合理設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 模擬對象和工況設(shè)置

本文以某離心泵為例，應(yīng)用CAD軟件構(gòu)建離心泵的幾何模型，如圖1所示。該離心泵包含五個葉輪，蝸殼及流道。采用gambit軟件對其進(jìn)行有限元非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，如圖2所示。其中，網(wǎng)格總數(shù)大約為為50000。入口和出口邊界條件設(shè)置均為壓力入口和出口。其中集流器，葉輪中心及蝸殼區(qū)中流體為靜止網(wǎng)格，葉輪葉片區(qū)為多參考系坐標(biāo)系(MRF)。壁面采用無滑移壁面邊界條件，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

圖2 離心泵的幾何模型及網(wǎng)格劃分

2 數(shù)學(xué)模型

在CFD模擬中，通過求解N-S方程準(zhǔn)確描述流體的流動。由于N-S方程本身非常復(fù)雜，只有在極少數(shù)的簡化和邊界條件下存在精確的解析解。一般通過數(shù)值求解N-S方程，即計(jì)算流體力學(xué)。適用于可壓縮粘性流體的運(yùn)動方程如下式所示：

由于在泵的輸送過程中，所涉及的流體是湍流，所以采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型。其中內(nèi)部流場采用分離隱式求解器。由于葉輪旋轉(zhuǎn)過程中葉片、輪緣及軸表面以特定的速度旋轉(zhuǎn)，而管道和保護(hù)罩是回轉(zhuǎn)面，所以整個計(jì)算域可視為單一旋轉(zhuǎn)的參考系。由此可知，采用多參考系(MRF)方法來分析旋轉(zhuǎn)部分的流動特征是非常有效的。所以本文對離心式鼓風(fēng)機(jī)的模擬采用MRF方法。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

首先，本文統(tǒng)計(jì)了離心式鼓風(fēng)機(jī)出口和入口的流量，分別為853.66469 kg/s和853.66469 kg/s?？梢姵隹诹髁颗c入口流量基本相同，說明整個模擬流域基本趨于穩(wěn)定。

利用CFD模擬可以得到離心泵內(nèi)任意位置的速度和壓力的分布。首先分析了整個流場的靜壓分布，如圖3所示。由圖3可知，從離心泵的流道入口到出口，壓力逐漸增加。在入口和出口處壓力都較小，并且葉輪的前緣壓力最大。由此可知，在蝸舌附近存在一定的負(fù)壓，這可能是由于蝸舌附近出現(xiàn)回流造成的。

整個流場的流體速度矢量分布如圖4所示。由圖4可知，從離心泵的入口到出口，流體速度逐漸增加，在葉輪邊緣處，流體速度達(dá)到最大。然而，由于葉片的旋轉(zhuǎn)作用，使得流體具有一定的旋轉(zhuǎn)速度分量，導(dǎo)致葉片周圍出現(xiàn)小漩渦。由此可知，在蝸舌附近存在一定的回流現(xiàn)象，會對泵體造成一定的沖擊。該模擬結(jié)果與圖3中的靜壓分布得到的結(jié)果是一致的。

圖3 離心泵靜壓分布云圖

圖4 離心泵流體速度矢量圖

4 結(jié)語

本文利用CFD方法結(jié)合多參考系(MRF)方法對離心泵內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬研究。通過分析離心泵靜壓和流體速度矢量可以發(fā)現(xiàn)，離心泵在蝸舌附近容易發(fā)生回流，從而對蝸殼和泵體本身造成沖擊。分析其現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，這可能是由于蝸舌和葉輪的間距較大造成的。因此，后續(xù)設(shè)計(jì)過程中，為了避免該處的回流現(xiàn)象，需要對離心泵的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，減少蝸舌和葉輪的間距。

翟浩然(1989-),中石化濟(jì)南分公司,男,遼寧撫順,本科,助理工程師,機(jī)械工程設(shè)計(jì)