基于ANSYS FLUENT的雙吸泵水力模型性能分析

楊溢

摘 ? 要：雙吸離心泵作為通用機(jī)械，具有流量大、揚(yáng)程高、維修方便等特點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，涉及行業(yè)面廣。隨著迅猛發(fā)展的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）技術(shù)，數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)作為一種重要手段來(lái)研究流體機(jī)械的內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律以及預(yù)測(cè)流體外部性能參數(shù)。本文基于ANSYS FLUENT對(duì)某S型雙吸離心泵進(jìn)行分析，從而獲得外部參數(shù)與內(nèi)部流動(dòng)特征。

關(guān)鍵詞：雙吸離心泵 ?數(shù)值模擬 ?網(wǎng)格劃分

中圖分類號(hào)：TP391.77 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）09（a）-0089-02

隨著雙吸離心泵在國(guó)內(nèi)應(yīng)用的領(lǐng)域越來(lái)越廣，目前開始重視對(duì)雙吸泵的全面深入研究工作。國(guó)內(nèi)常用的雙吸離心泵型號(hào)有 S型、SH 型、SA型等中開雙吸離心泵[1]，較早的雙吸泵產(chǎn)品性能能否滿足市場(chǎng)的高指標(biāo)高要求有待研究。本文正是對(duì)某S型雙吸泵模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析，從而得出其性能能否滿足要求。

1 ?雙吸泵實(shí)體建模與網(wǎng)格劃分

某S型雙吸離心泵的性能參數(shù)為流量Q=280m3/h，揚(yáng)程H=45m，轉(zhuǎn)速n=2950r/min，效率η=79.0%。根據(jù)水力模型木模圖應(yīng)用SolidWorks軟件，主要采用放樣的方法對(duì)葉輪、壓水室、吸水室進(jìn)行三維水體建模。

由于雙吸泵流道的幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本文應(yīng)用ANSYS ICEM CFD的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格中的四面體單元對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了液體流動(dòng)更加平穩(wěn)，本文在吸水室的前端和壓水室的后端分別增加進(jìn)出口延長(zhǎng)段，主要步驟如下：

（1）創(chuàng)建計(jì)算域、Part。本文為5個(gè)計(jì)算域，對(duì)每個(gè)計(jì)算域劃分3～5個(gè)Part，并對(duì)每個(gè)Part進(jìn)行命名區(qū)分。

（2）設(shè)置網(wǎng)格尺寸并生成網(wǎng)格。既可以設(shè)置模型的整體尺寸，如果需要也可以對(duì)Part進(jìn)行加密劃分。

（3）合并網(wǎng)格。依次導(dǎo)入壓水室、葉輪、吸水室、進(jìn)水段、出水段的網(wǎng)格文件，完成合并。

經(jīng)過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析，確定網(wǎng)格數(shù)量為130萬(wàn)個(gè)。網(wǎng)格數(shù)量為進(jìn)水段44334、吸水室518853、葉輪402279、壓水室283093、出水段44678。

2 ?雙吸泵內(nèi)部流場(chǎng)與性能參數(shù)分析

2.1 雙吸泵數(shù)值模擬

本文以清水為模擬介質(zhì)，選取雷諾平均N-S方法中的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。應(yīng)用有限體積法，采用定常、穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，F(xiàn)luent主要操作步驟如下：

（1）設(shè)置計(jì)算模型。選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，對(duì)于近壁面的處理選取標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

（2）定義計(jì)算域。葉輪為旋轉(zhuǎn)區(qū)域，轉(zhuǎn)速為2950 rpm，由模型確定旋轉(zhuǎn)軸為Z軸，方向?yàn)檎ＴO(shè)置靜止區(qū)域的部分為吸水室、壓水室、進(jìn)水段和出水段。

（3）設(shè)置邊界條件。

進(jìn)口邊界：進(jìn)水段的進(jìn)水面為速度進(jìn)口。

出口邊界：將出水段的出水面設(shè)置為出口邊界，選擇自由流出。

壁面的設(shè)定：葉輪前后蓋板和葉片的壁面設(shè)為旋轉(zhuǎn)壁面，轉(zhuǎn)速為零。其他計(jì)算域的壁面設(shè)為靜止壁面。

（4）設(shè)置求解方法。本文對(duì)雙吸泵進(jìn)行定常模擬，壓力和速度的耦合采用SIMPLE算法更接近試驗(yàn)值。壓力插值項(xiàng)采用標(biāo)準(zhǔn)形式，對(duì)動(dòng)量、湍動(dòng)能、湍動(dòng)耗散率均選擇一階迎風(fēng)格式。

2.2 計(jì)算結(jié)果

本文選取6個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行分析，分別是0.4Q、0.6Q、0.8Q、Q、1.2Q、1.4Q。

雙吸泵的揚(yáng)程計(jì)算公式如下[2]：

（1）

式中：Pin、Pout——進(jìn)、出口單位面積平均總壓力，Pa;Δz——進(jìn)、出口之間的高度差，m。

雙吸泵的總效率計(jì)算公式如下[3]：

（2）

式中：ηv——容積效率;ηh——水力效率;ΔPd——圓盤摩擦損失功率;Pe——輸出功率。

各工況點(diǎn)的揚(yáng)程、效率性能參數(shù)見(jiàn)表1。

其中Q=280m3/h。

2.3 內(nèi)部流場(chǎng)分析

從葉片靜壓云圖上可以看出，葉片的工作面和背面的壓力都是沿著出流方向呈階梯狀逐步增大，工作面的壓力大于背面的壓力，壓力分布是不對(duì)稱的，分布比較合理，符合雙吸泵的流動(dòng)情況。葉輪的低壓區(qū)出現(xiàn)在葉輪入口稍后的葉片背面，這部分也是最容易發(fā)生汽蝕的地方，隨著流量的增加，入口低壓區(qū)也逐漸減少。

從z=0吸水室、壓水室的靜壓云圖可以看出，吸水室的壓力均勻在進(jìn)口處沒(méi)有變化，在大流量下靜壓力有梯度的變化。流體進(jìn)入壓水室后，壓水室靜壓在進(jìn)口處壓力較小，隨著運(yùn)動(dòng)在出口處增大，但是由于流動(dòng)損失的存在，壓水室總壓是沿著流動(dòng)方向逐漸降低的，符合流體力學(xué)流動(dòng)規(guī)律。

從葉輪速度矢量圖可以看出，葉輪內(nèi)的流動(dòng)比較均勻總體良好，葉輪內(nèi)速度沿流體流動(dòng)方向逐漸增大，即葉輪進(jìn)口處流速最小，出口處流速最大，與理論分析的結(jié)果相一致。在工況點(diǎn)和大流量情況下，整體的對(duì)稱性比較好。由于大流量和雙吸泵存在沖擊損失，所以在速度上，大流量工況要比小流量工況小一些。

3 ?結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用ANSYS FLUENT軟件對(duì)雙吸泵進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)包括設(shè)計(jì)工況點(diǎn)、小流量點(diǎn)、大流量點(diǎn)在內(nèi)的6種不同運(yùn)行工況下進(jìn)行研究。考慮容積損失和圓盤摩擦損失，通過(guò)計(jì)算得到了外部性能參數(shù)，揚(yáng)程和效率曲線比較平滑，但是揚(yáng)程和效率都沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。獲取葉輪、吸水室和壓水室的內(nèi)部壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)特征，壓力與速度分布基本合理，符合雙吸泵的流動(dòng)特性，從而認(rèn)證了數(shù)值模擬的可行性。

參考文獻(xiàn)

[1] 關(guān)醒凡.雙吸泵系列產(chǎn)品的開發(fā)[J].水泵技術(shù)， 2004（5）：28-32.

[2] 吳賢芳，談高明，劉厚林，等.葉片出口角對(duì)離心泵性能曲線形狀的影響[J].農(nóng)機(jī)化研究，2010， 9（9）：166-169.

[3] 劉厚林，談高明，袁壽其.離心泵圓盤摩擦損失計(jì)算[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，12（22）：107-109.