離心泵流場的CFD模擬研究

翟浩然（中石化濟南分公司，山東 濟南 250000）

離心泵流場的CFD模擬研究

翟浩然（中石化濟南分公司，山東 濟南 250000）

理解和掌握離心泵內部流場對其操作和穩(wěn)定性有著重要的意義。本文利用CFD方法結合多參考系(MRF)方法對離心泵內部流場進行數(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;計算流體力學

離心泵在石油化工領域有著廣泛的應用，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產生離心力來產生壓頭。理解和掌握離心泵內部流場對其操作和穩(wěn)定性有著重要的意義。隨著計算機技術和計算能力的發(fā)展和進步，計算流體力學（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間里得到流場詳細的信息，不僅為實驗提供指導，還可以為化工設備的優(yōu)化操作和設計放大提供理論基礎。本文采用CFD模擬方法，對某離心泵流動特性進行數(shù)值模擬，獲取離心泵內流場信息，為離心泵的優(yōu)化操作和合理設計提供指導。

1 模擬對象和工況設置

本文以某離心泵為例，應用CAD軟件構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軟件對其進行有限元非結構網格劃分，如圖2所示。其中，網格總數(shù)大約為為50000。入口和出口邊界條件設置均為壓力入口和出口。其中集流器，葉輪中心及蝸殼區(qū)中流體為靜止網格，葉輪葉片區(qū)為多參考系坐標系(MRF)。壁面采用無滑移壁面邊界條件，應用標準壁面函數(shù)。

圖2 離心泵的幾何模型及網格劃分

2 數(shù)學模型

在CFD模擬中，通過求解N-S方程準確描述流體的流動。由于N-S方程本身非常復雜，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，即計算流體力學。適用于可壓縮粘性流體的運動方程如下式所示：

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

3 計算結果與分析

首先，本文統(tǒng)計了離心式鼓風機出口和入口的流量，分別為853.66469 kg/s和853.66469 kg/s。可見出口流量與入口流量基本相同，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，流體速度達到最大。然而，由于葉片的旋轉作用，使得流體具有一定的旋轉速度分量，導致葉片周圍出現(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。該模擬結果與圖3中的靜壓分布得到的結果是一致的。

圖3 離心泵靜壓分布云圖

圖4 離心泵流體速度矢量圖

4 結語

本文利用CFD方法結合多參考系(MRF)方法對離心泵內部流場進行數(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)設計過程中，為了避免該處的回流現(xiàn)象，需要對離心泵的結構進行優(yōu)化，減少蝸舌和葉輪的間距。

翟浩然(1989-),中石化濟南分公司,男,遼寧撫順,本科,助理工程師,機械工程設計