韓 娜

(平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 平頂山 467000)

0 引言

在我國，離心泵作為一種通用的工農(nóng)業(yè)提取、轉(zhuǎn)移流體主體機(jī)械，被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域；加之流體力學(xué)近年來不斷滲入到流體機(jī)械的模擬研究工作當(dāng)中，對離心泵內(nèi)部的流場機(jī)理詳細(xì)了解與深入掌握成為業(yè)內(nèi)學(xué)者的一個重要研究方向。筆者在前輩的試驗基礎(chǔ)與當(dāng)前離心泵的制造與應(yīng)用發(fā)展的前提下，利用CFD技術(shù)模擬手段并結(jié)合最優(yōu)理論，對離心泵的出口流態(tài)及相關(guān)影響參數(shù)或部件展開探討。圖1所示為離心泵工作原理簡圖。流體通過葉輪的高速旋轉(zhuǎn)，如箭頭所指方向，從入口處被帶動至泵體的出口處，完成一次泵體的液體輸送工作。其中，葉輪與蝸殼是最為關(guān)鍵的動力部件，內(nèi)部具有復(fù)雜的流體特性；而泵體出入口的結(jié)構(gòu)設(shè)計和流體的變動情況亦對離心泵的整體工作效能起到不可或缺的作用，應(yīng)引起關(guān)注。

1 理論模型

1.1 離心泵數(shù)學(xué)模型的建立

根據(jù)低轉(zhuǎn)速比離心泵內(nèi)部流體介質(zhì)的特點與泵本體的結(jié)構(gòu)特征，可對其內(nèi)部的流動狀態(tài)簡化為三維定常流場，且流動介質(zhì)呈不可壓縮狀態(tài)，得到基本控制方程為

(1)

(2)

選擇Realizable k-ε湍流模型為

(3)

(4)

為了降低流態(tài)模擬的失真性，適當(dāng)對離心泵的內(nèi)壁處流體所受湍流剪切力進(jìn)行修正，在相適應(yīng)的k-ε模型為主的算法之下加入壁面經(jīng)驗函數(shù)公式，使得彌補(bǔ)實際泵內(nèi)流動的完全湍流的非充分性，其經(jīng)驗函數(shù)表示為

圖1 離心泵工作原理示意圖

Fig.1 Exhibition diagram of the operational principle of the centrifugal pump

1.2 離心泵物理模型的建立

進(jìn)行離心泵物理模型的簡化與建立，將對數(shù)值模擬影響較小的各結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行簡化，同時細(xì)化流體流動時關(guān)鍵的過流部件和主體執(zhí)行部件，利用UG軟件得到離心泵的三維實體模型，如圖2所示。在此模型中，可對其進(jìn)一步拆解與組合，以獲得更為精確的物理參數(shù)。同時，通過專業(yè)的對接與轉(zhuǎn)換，導(dǎo)入流體仿真軟件進(jìn)行葉輪、蝸殼等數(shù)值模擬此物理模型，可為后序仿真提供良好的技術(shù)參數(shù)保證。在此列出離心泵的主要構(gòu)件及參數(shù)值，如表1所示。

1.入口 2.葉輪 3.蝸殼 4.出口 5.泵軸

對于各部件之間的參數(shù)優(yōu)化組合，可以選取多目標(biāo)優(yōu)化，做到統(tǒng)籌兼顧，其方程算法可表示為

表1 離心泵主要技術(shù)參數(shù)表

2 試驗?zāi)M

2.1 模擬條件

基于CFD，選取流體領(lǐng)域應(yīng)用功能強(qiáng)大且兼容性穩(wěn)定性好的Fluent軟件作為主體模擬工具，為保證其計算的精度，需要對離心泵的物理模型進(jìn)行模擬前置處理，即網(wǎng)格劃分。利用GAMBIT的專業(yè)性和自檢性，同時可對復(fù)雜的幾何模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格劃分的功能，通過CAE導(dǎo)入網(wǎng)格預(yù)處理，對模型的關(guān)鍵位置進(jìn)行局部細(xì)化和網(wǎng)格優(yōu)化，以保證達(dá)到最好的收斂效果。通過兩者的結(jié)合，本次網(wǎng)格劃分共得到網(wǎng)格劃分單元數(shù)8 967 289，包括多種網(wǎng)格劃分的有效組合。針對不同的離心泵構(gòu)件如葉輪、蝸殼等的結(jié)構(gòu)特點劃分后的模型如圖3所示。

模擬前邊界條件的設(shè)定是不可缺少的一步，邊界條件設(shè)置的合適性將直接影響控制算法的精確度，本模擬試驗通過對離心泵出口、入口及壁面分別給予設(shè)定的邊界條件主要包括：①離心泵入口速度v1、入口壓力P1；②離心泵出口速度v2、出口壓力P2；③離心泵模型邊界壁面條件；④離心泵部件其他交界面條件等。

圖3 離心泵整體網(wǎng)格劃分與局部細(xì)化

centrifugal pump

2.2 模擬方案

開展離心泵模擬方案計算,步驟如下：

1)將離心泵基本機(jī)構(gòu)尺寸材料及參數(shù)給定模擬計算器；

2)求解器選擇耦合性隱式求解；

3)選取前文所述控制算法并設(shè)置好系數(shù)、函數(shù)及缺省項目參數(shù)；

4)開始進(jìn)行初始化；

5)迭代數(shù)值模擬；

6)查看離心泵模擬流場速度及壓力云圖；

7)重點關(guān)注離心泵出口流態(tài)參數(shù)變化；

8)改變相關(guān)參數(shù)設(shè)置，進(jìn)行重復(fù)步驟模擬。

3 實驗分析

在Realizablek-ε湍流模型及控制算法之下，利用流固耦合方法進(jìn)行求解并進(jìn)行后處理和可視化結(jié)果及云圖的輸出，圖4～圖7分別給出了離心泵某截面的速度、壓力及湍動能云圖分布情況。

1)由圖4可以看出：復(fù)雜的速度流場主要存在于離心泵葉輪與蝸殼的交匯處與葉輪的主體部件內(nèi)部，在離心泵出口處的流速流場分布較為穩(wěn)定。

2)由圖5可以看出壓力的分布在離心泵出口處最大。這說明只有給定足夠的抽出壓力，泵體才能夠?qū)⑷~輪內(nèi)部的高速旋轉(zhuǎn)流體從出口處泵處，與實際工作狀況相符合。

3)由圖6可以看出：離心泵內(nèi)部整體的湍動能分布較為穩(wěn)定，而在離心泵出口的管道段繪出現(xiàn)不同程度的旋流和湍動能變化，應(yīng)當(dāng)引起重視。為了克服這種情況對離心泵的出口管道造成沖擊，可以采取軟措施與硬設(shè)備來減緩這一不利情況發(fā)生。

模擬得出離心泵的速度、壓力及湍動能云圖，了解其工作過程中內(nèi)部流體的運(yùn)動狀態(tài)及泵體結(jié)構(gòu)與內(nèi)部流體之間的相互作用力之后，改變泵的流量參數(shù)。

圖4 離心泵截面數(shù)值模擬速度云圖

圖5 離心泵截面數(shù)值模擬壓力云圖

圖6 離心泵截面湍動能分布云圖

由圖7可以看出：在給定小流量的條件下，離心泵的葉輪與蝸殼不能很好地發(fā)揮其輸送性能，自然離心泵的出口流場速度不是很理想。隨著流量參數(shù)的逐步增加，加之流體在泵內(nèi)部流動的不穩(wěn)定性，可看出其在出口處圓周方向的流場速度分布趨于均勻。當(dāng)給定流量參數(shù)位于0.8Q～1.2Q附近(接近離心泵額定流量)時，離心泵的出口流態(tài)分布最為均勻，隨著給定流量參數(shù)繼續(xù)增加，其出口處的流場速度分布又出現(xiàn)分布不均勻的現(xiàn)象。筆者在此對于壓力及出口處的動能分布云圖不再贅述，觀察到的現(xiàn)象幾乎與速度流場一致，即應(yīng)當(dāng)保證離心泵在額定的設(shè)計流量及設(shè)計工況下進(jìn)行工作，此時可發(fā)揮離心泵的最大效能。

圖7 不同流量下的離心泵出口流速分布云圖

根據(jù)CFD的模擬，截取不同的流場分布特性，結(jié)合離心泵本身具備特征，亦可繪制出離心泵的關(guān)鍵特性曲線，如圖8所示。

圖8 離心泵相關(guān)特性曲線圖

通過統(tǒng)計計算與對比，得出離心泵流場參數(shù)的理論值與模擬值對比曲線，如圖9所示。由圖9可知：兩者的誤差在8%以內(nèi)，證明此次數(shù)值模擬的準(zhǔn)確度和可供參考性很大，兩者結(jié)果吻合度較高。

圖9 離心泵流場參數(shù)理論值與模擬值對比曲線

4 結(jié)論

1)通過將CAD/CAE技術(shù)與CFD技術(shù)相結(jié)合成功運(yùn)用于離心泵出口流態(tài)模擬分析，是進(jìn)一步了解離心泵內(nèi)部流場的固有特性的一個重要組成部分。應(yīng)用合適的控制算法，對比分析離心泵內(nèi)部及出口處的壓力、速度等關(guān)鍵參數(shù)，得出低轉(zhuǎn)速比離心泵的相關(guān)特性曲線，可以促進(jìn)相似尺寸和功能的離心泵參數(shù)化設(shè)計研究。

2)在三維模型準(zhǔn)確建立的基礎(chǔ)之上，利用CFD數(shù)值模擬在大大節(jié)約試驗成本的同時可以獲取所需信息的準(zhǔn)確性與可靠性，是一種有效對離心泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計及參數(shù)優(yōu)化的模擬手段。

3)此分析方法對相關(guān)學(xué)者對離心泵深入研究提供一定的參考價值，從而實現(xiàn)離心泵內(nèi)部葉輪的流體流動最優(yōu)化控制和利用，對于改善離心泵及其他水力機(jī)械設(shè)備具有重要的借鑒意義。