試析不同葉輪形式下離心泵整機(jī)非定常流場(chǎng)的數(shù)值

楊正文 楊永正 曹松茂 崔二發(fā) 屈智康

摘要：根據(jù)離心泵當(dāng)中無短葉片、有長(zhǎng)葉片、短短葉片三種，使用非定常CFD的數(shù)值分析方法來對(duì)工況的全三維流場(chǎng)進(jìn)行構(gòu)建，從而來對(duì)不相同葉片對(duì)水泵揚(yáng)程、進(jìn)出口的壓力波動(dòng)和葉片面和中央回轉(zhuǎn)面的數(shù)值分布的影響。當(dāng)中，和無短葉片的情況進(jìn)行對(duì)比，且同時(shí)對(duì)短葉片有無和短葉片尺寸對(duì)泵機(jī)內(nèi)流場(chǎng)的影響進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：離心泵；數(shù)值模擬；非定常流；長(zhǎng)短葉片

引言：離心泵作為日常生活當(dāng)中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最為重要的機(jī)械，對(duì)其提升工作的效率，降低運(yùn)作期間的噪音有著非常重要的意義。根據(jù)離心泵的三維結(jié)構(gòu)，在葉輪和蝸殼的互相作用下生成非穩(wěn)定流動(dòng)，這樣的情況會(huì)在很大程度上影響到這一機(jī)械的運(yùn)作效率，同時(shí)也會(huì)對(duì)振動(dòng)和噪音進(jìn)行提升。因此，在進(jìn)行離心泵的設(shè)計(jì)期間在滿足揚(yáng)程的要求以外，還必須要很好的去考慮葉輪和蝸殼之間生成的非場(chǎng)脈動(dòng)。

一、計(jì)算的模型和方式

（一）模型的選擇

在此次的研究當(dāng)中選用的是一單級(jí)的離心泵作為對(duì)象，閉式的葉輪進(jìn)口直徑為95毫米，出口的直徑為175毫米，當(dāng)中分別使用了三種不相同的葉片布置。當(dāng)中葉輪1使用均勻分布的6個(gè)長(zhǎng)葉片，無短葉片；葉輪2和3當(dāng)中使用的是長(zhǎng)短葉片各4個(gè)，當(dāng)中葉輪2的短葉片較長(zhǎng)，前尾緣的半徑都為0.674，葉輪3當(dāng)中則為0.743。離心泵的轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)為2900r/min，設(shè)計(jì)的流量是100m2/h，設(shè)計(jì)的揚(yáng)程為30.6m。

（二）計(jì)算方式

1.2.1蝸殼和葉輪模型的構(gòu)建和網(wǎng)格的構(gòu)成一般都是使用GAMBIT軟件來進(jìn)行處理的。蝸殼的內(nèi)部使用的是結(jié)構(gòu)狀的網(wǎng)格，網(wǎng)格的總量為45829；葉輪內(nèi)使用的是混合狀的網(wǎng)格，網(wǎng)格的數(shù)量對(duì)葉輪1是476684，葉輪2是497225，葉輪3當(dāng)中是487657；對(duì)葉輪進(jìn)口段作了延長(zhǎng)，也利用了網(wǎng)格化的構(gòu)造，網(wǎng)格的總量為84444。

1.2.2根據(jù)CFD和FLUENT軟件，使用SIMPLE方法來對(duì)三維不可壓縮雷諾的平均N-S方程進(jìn)行計(jì)算。湍流的模型一般都是選擇k-6兩種方程的模型，壁面使用的是無滑移邊界條件，近壁區(qū)使用的是標(biāo)準(zhǔn)壁面的函數(shù)來進(jìn)行處理的。非定常計(jì)算使用的是滑移網(wǎng)格的方法，在進(jìn)行計(jì)算期間進(jìn)口給定速度，出給給定壓力，在進(jìn)行每次給定期間步長(zhǎng)內(nèi)的葉輪轉(zhuǎn)過約1。，迭代通過12此來完成計(jì)算。為了更好的對(duì)內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在葉輪的進(jìn)口都必須要設(shè)置出一個(gè)進(jìn)口的斷面，蝸殼的出口必須要靠近蝸舌的出口斷面。

二、計(jì)算結(jié)果和分析

（一）離心泵因?yàn)槲仛ば螒B(tài)的三維非軸對(duì)稱性，葉輪和蝸殼之間的相對(duì)作用使得內(nèi)部流場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜的非穩(wěn)定性，當(dāng)中葉片和蝸舌的相對(duì)作用會(huì)帶來壓力波動(dòng)等因素。壓力的波動(dòng)和泵機(jī)零件的互相作用會(huì)使用泵機(jī)出現(xiàn)振動(dòng)、噪聲等問題，同時(shí)進(jìn)出口的流場(chǎng)也會(huì)受到很大的影響。根據(jù)以上的三個(gè)葉輪的敘述，因?yàn)槿~輪之間都有著不同的級(jí)內(nèi)流場(chǎng)因此會(huì)體現(xiàn)出太多的不同，下面是數(shù)值模擬得出的結(jié)果。

（二）下圖當(dāng)中三個(gè)葉輪之間揚(yáng)程的伴隨時(shí)間的變化狀況，葉輪1當(dāng)中揚(yáng)程波動(dòng)的情況數(shù)值較小，葉輪2和3的揚(yáng)程波動(dòng)是相同的，且他們的數(shù)值分別為，葉輪1：38.3米；葉輪2：37.7米；葉輪337.8米。從而可以從這當(dāng)中看出，葉輪1的揚(yáng)程相對(duì)來說是較高的、葉輪3較為適中、葉輪2是最低的。從這點(diǎn)當(dāng)中可以很好的看出，長(zhǎng)短葉片的葉輪當(dāng)中長(zhǎng)葉片出口的壓力數(shù)值要比一般的葉輪要高一點(diǎn)。雖然2和3葉輪使用的都是很少數(shù)目的長(zhǎng)葉片，但是因?yàn)槎倘~片的存在也一樣可以很好的滿足當(dāng)前的揚(yáng)程設(shè)計(jì)目的。這里應(yīng)當(dāng)注意的是，葉輪3當(dāng)中使用的是較短的葉片，但是在進(jìn)行揚(yáng)程的生成期間要比葉輪2 要高，由此可以看出短葉片的葉輪設(shè)計(jì)對(duì)整體設(shè)備的性能有著重要的意義。

（三）短葉片的有無對(duì)壓力波動(dòng)的影響

2.3.1在圖A和圖B當(dāng)中分別表示的是葉輪1和葉輪2的進(jìn)出口斷面壓力伴隨時(shí)間波動(dòng)的圖表。進(jìn)口的壓力波動(dòng)頻率是葉輪經(jīng)過蝸舌時(shí)的頻率；根據(jù)這樣的情況，葉輪1的壓力波動(dòng)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于葉輪2，但是波動(dòng)的方式是不同的。對(duì)葉輪1，葉片每一次經(jīng)過蝸舌一次就會(huì)出現(xiàn)一次壓力提升然后降低的情況；根據(jù)葉輪2，短葉片經(jīng)過蝸舌以后壓力會(huì)達(dá)到一定的峰值然后在降低到最小數(shù)值，然后伴隨著長(zhǎng)葉片經(jīng)過蝸舌，壓力提升到最高數(shù)值，然后在降到一定的數(shù)值，這個(gè)時(shí)候短葉片在一次經(jīng)過優(yōu)惠使得壓力出現(xiàn)提升的情況。在蝸殼出口斷面上，使用葉輪1的級(jí)壓力波動(dòng)幅度很大并且還很雜亂，同時(shí)也沒有特定且明顯的頻率；但是使用葉輪2的級(jí)壓力就可以讓波動(dòng)均勻，主要是因?yàn)轭l率是長(zhǎng)葉片經(jīng)過蝸舌時(shí)的頻率，且幅度并不是很大，因此可以看出這一個(gè)設(shè)計(jì)當(dāng)中短葉片的使用可以很好的對(duì)出口的流場(chǎng)脈動(dòng)進(jìn)行改善。

2.3.2雖然在葉輪1和2當(dāng)中的長(zhǎng)葉片數(shù)量是不相同的，但是上以上的結(jié)果來看可以很好的得出一下這些結(jié)論：進(jìn)口處的壓力波動(dòng)幅度一般都是由長(zhǎng)葉片樹立和蝸舌互相作用來決定的，長(zhǎng)葉片數(shù)量較多的進(jìn)口一般壓力的波動(dòng)幅度都會(huì)很小。可以從這點(diǎn)看出，葉輪達(dá)到無限薄、無限量的時(shí)候那么進(jìn)口就會(huì)出現(xiàn)均勻流動(dòng)的情況。葉輪2當(dāng)中使用長(zhǎng)短葉片期間布置的形式且長(zhǎng)葉片的數(shù)量很少，但是可以達(dá)到和葉輪1差不多的揚(yáng)程，出口的壓力波動(dòng)也會(huì)小于葉輪1，由此課件短葉片不但可以很好的提升出口的壓力，也可以對(duì)出口的波動(dòng)幅度進(jìn)行很好的降低。

結(jié)束語：根據(jù)此文討論的有限葉片葉輪，因?yàn)槲仛さ姆禽S對(duì)稱性的問題，葉片和蝸舌的互相作用會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部的流動(dòng)產(chǎn)生周期性的波動(dòng)，在葉輪進(jìn)口和出口出現(xiàn)很大的壓力脈沖，進(jìn)口壓力波動(dòng)的幅度明顯要高出壓力波動(dòng)的幅度。和一般的葉輪有相對(duì)比，長(zhǎng)短葉片結(jié)構(gòu)的葉輪蝸殼在出口的壓力波動(dòng)會(huì)很小并且還可以很好的對(duì)二次流流動(dòng)進(jìn)行改善，但是當(dāng)中的缺點(diǎn)是長(zhǎng)葉片數(shù)量的降低會(huì)出現(xiàn)進(jìn)口壓力波動(dòng)很大的情況。同時(shí)長(zhǎng)葉片之間形式的一樣，不相同的幾何尺寸的短葉片會(huì)使得進(jìn)出口的壓力波動(dòng)幅度不一樣。經(jīng)過對(duì)這一個(gè)因素進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以很好的看出出口的非定常脈動(dòng)很小。

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