基于FLUENT的離心泵葉輪數值模擬計算

2012-07-05 06:06:28梁月娟

科技傳播 2012年12期

關鍵詞：模型

梁月娟

陽江市新力工業有限公司，廣東陽江 529500

1 計算模型的建立

1.1 模擬模型的建立與網格劃分

利用三維建模軟件Pro-E建立模擬所用的葉輪模型和泵外殼模型，如圖1所示。葉輪的葉片數為7，設計為后彎葉片式，導葉的葉片數為10，設計為徑向式結構。利用FLUENT的前處理軟件Gambit對模型進行網格的劃分，劃分后的模型網格如圖2所示。

圖1 葉輪和泵體物理模型

圖2 模型網格示意圖

1.2 求解器設置

選取FLUENT軟件中的3D模型求解。在MODELSOLVER中選取Pressure-Based求解，采用標準的k-ε湍流模型，各值保持默認設置。為使計算加快收斂，在SOLVECONTROLS中，采用SIMPLEC算法來計算壓力-速度耦合（Pressure-Velocity Coupling）。在差分離散方法中，壓力方程選用標準格式（Standard）。為使單位表面計算值有二階精度，采用二階迎風格式（Second Order Upwind）計算動量方程、湍動能方程與耗散率輸運方程。在迭代計算的過程中，打開殘差監視器，通過殘差監視器判斷計算是否收斂。各項的收斂標準設為0.001。

1.3 邊界條件的設置

計算中采用了多重參考系，葉輪為移動參考系，其余為絕對參考系。

對于本計算模型，共需設置三個邊界條件，分別是進口邊界，出口邊界和壁面邊界。

進口邊界設置:根據泵使用的一般情況，把進口邊界設置為質量入口邊界（Mass-Flow-inlet）。由實際的工況決定表中的質量流速和質量流量，總溫，壓力和流動方向等具體數值。湍流計算選取水力直徑和湍流強度，其數值大小根據理論計算給出。

出口邊界設置:因不知道出口的速度和壓力，因此出口邊界設置為自由出流邊界條件（Outflow），保證流動是完全發展的。

壁面邊界條件:壁面邊界設置為無滑移的固壁條件（Wall）。

1.4 泵工況與流體性質參數

泵的工況及流體性質參數如表1所示，流體為清水。

表1 泵工況及流體性質參數表

2 模擬計算的結果與分析

2.1 壓力計算結果及分析

圖3 葉輪壓力分布圖

圖3為模擬計算后，葉輪處的壓力分布圖。由圖中可看出，在流動方向上，葉輪內的壓力是逐漸增加的。壓力最大值出現在泵體內的周圍附近，壓力在導葉后的區域數值略有下降。由此分析，在流動方向上，葉輪內的壓力的增加，這是由于葉輪以旋轉的方式做功。在泵體內，流體的能量變化由動能變為勢能，出現最大壓力值。在導葉后，流體因水力損失，導致壓力值有所下降。

2.2 流場模擬分布

圖4為模擬計算后，葉輪處的流場分布圖。從圖中可以看出在葉輪處流體的三維空間速度大小分布和流向趨勢。由圖中可看出，葉輪的絕對速度最大為16.7m/s。在葉輪出口附近，靠近葉片吸力面和葉輪前盤附近，特別是在這兩個面的交匯處附近，流體的相對速度比較低，形成尾跡區。在壓力面附近的流體的相對速度比較高，形成了射流區，出現射流-尾跡結構。同時，由于導葉葉頭處的干擾，葉輪的出流在該處出現了與葉輪運動方向相反的逆流。在導葉內，流體的速度在凸面略高于凹面。