基于ANSYS CFD的離心泵內(nèi)部湍流數(shù)值模擬分析

王彥軍

關鍵詞：葉輪;Fluent;湍流;離心泵;壓力

0引言

離心泵是農(nóng)業(yè)和水利工程、城市給排水、火力發(fā)電廠、固體顆粒液體運輸工程、采礦業(yè)、石油和化工、航空航天工程、運輸和醫(yī)藥等領域中使用極為廣泛的機械各個部門已被廣泛使用。傳統(tǒng)離心泵的設計是基于實驗方法，最終設計方案是通過經(jīng)驗判斷來確定的。后續(xù)過程需要很長時間，并且成本很高，這在很大程度上取決于研究人員的經(jīng)驗。因此，設計方案簡單，數(shù)值模擬已開始廣泛取代離心泵的設計和流場分析。其中Fluent是一個用于模擬和分析在復雜幾何區(qū)域內(nèi)的流體流動與熱交換問題的專用CFD軟件。能夠準確地描繪離心泵模型內(nèi)部的流場狀態(tài)，可以快速的計算出模型各項變動對流動的影響，得出最好的設計方案。最后可以把現(xiàn)實的時間與空間區(qū)域的物理量的場通過數(shù)值模擬方法直觀的表現(xiàn)出來。因此利用CFD對離心泵進行輔助設計成為一種可靠的方法。本文通過對模型進行設定額定工況和不定工況下的離心泵內(nèi)部流場數(shù)值模擬，得出了流體在離心泵中的速度和壓力分布，并分析了離心泵內(nèi)部的流場分布情況。

1計算模型及邊界條件

離心泵是一種渦輪機械，由旋轉(zhuǎn)的葉輪和靜止的蝸殼兩部分構(gòu)成。流體從葉輪中央的圓形進口沿徑向均勻進入葉輪，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)的葉片作用后，得到能量，從蝸殼出口排出。離心泵主要是依靠旋轉(zhuǎn)葉輪葉片帶動水轉(zhuǎn)動，依靠葉輪對液體的旋轉(zhuǎn)作用，把電動機的機械能傳給液體，高速旋轉(zhuǎn)的葉輪葉片帶動水運動，將水從出口甩出，達到輸水的目的。本文采用Fluent進行建模分析。本文中以單吸清水離心泵IS100-80-160為例進行分析。離心泵的設計參數(shù)：流量p=100 m3/h，揚程H=32 m，轉(zhuǎn)速n=2900r/min，比轉(zhuǎn)速N=131.1，汽蝕余量NPSHr=3.3m，葉輪出口直徑D=170mm，進口直徑Dj=90mm，包角=120°，葉片數(shù)Z=6，輪轂直徑Dh=40。應用CF-Turbo軟件完成離心泵的數(shù)字化設計，圖1所示為離心泵的葉輪形態(tài)，圖2所示為單獨一個葉輪和網(wǎng)格設計。

1.1控制方程

流體的流動受物理守恒定律控制，該定律包括質(zhì)量守恒定律和動量守恒定律。根據(jù)該定律，得到了絕對坐標系下不可壓縮的牛頓流體連續(xù)性方程和動量方程。

1.2湍流模型

采用最基本的渦粘兩方程模型的標準k-s模型，引入湍流動能k和湍動耗散率e兩項參數(shù)。在標準的湍流模型中，k和e是未知量，與之相對應的運動方程為：

1.3邊界條件設定

湍流計算模型的壓力采用交錯網(wǎng)格的SIMPLE算法，速度項、湍動能項和湍動能耗散率均采用Fluent軟件攜帶的方程及參數(shù)進行設定計算。殘差精度定為0.0001。進口條件：葉輪進口速度按照輸入速度設定，速度值為1.5m/s，流體從蝸殼口進入，方向垂直于進口截面。出口條件：設定為腔內(nèi)的壓水室出口邊界處流動達到飽滿程度，在流體按照一定速度從出口處流出，設定為輸出口。渦體條件：葉輪與蝸殼面采用無滑移渦體邊界條件，按照雷諾數(shù)模擬方程的標準壁面函數(shù)進行計算。

葉輪在離心泵內(nèi)高速運轉(zhuǎn)，葉片數(shù)為6，所以葉輪旋轉(zhuǎn)時泵內(nèi)流暢呈周期性變化。將參考系模型定義在葉輪區(qū)域的動網(wǎng)格部分，這樣使坐標系隨葉輪一起旋轉(zhuǎn)，按照這樣的設定，葉輪相對于模型頁面處于相對靜止狀態(tài)，可以按定態(tài)模型分析計算。模型建立過程是現(xiàn)在CFturbo軟件中建立三維圖形，輸出為stp.格式文件，方便之后直接在Ansys軟件中導入。網(wǎng)格設定為2 mm，一個葉輪的網(wǎng)格數(shù)為22 440個。模型的主要參數(shù)如表1所示。

2速度、壓力與湍流分布

在計算過程中，根據(jù)速度和壓力選擇了SIM—PLEC的類型。根據(jù)動量，湍動能和耗散率中選擇了兩個方案。在迭代計算過程中，將迭代的初始值設置為600步。控制方程式經(jīng)過587次迭代后收斂，如圖3所示。垂直于進入方向的水的速度為2m/s。流體密度為1.225 kg/m。，人口壓力為101.3kPa，流體黏度為1.79x10kg/m·s。

2.1速度分析

圖4（a）所示為離心泵的速度分布，從圖中可以看出，泵的流體速度沿葉輪的半徑方向逐漸增加，位于葉輪出口的最大速度為11.7m/s。而內(nèi)側(cè)的速度則為0m/s。因此，速度隨著葉輪和渦壁的距離而增加。同時，倒葉的位置和葉輪出口速度隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)而改變，這導致內(nèi)部流場的不對稱和不穩(wěn)定狀態(tài)。圖4（b）所示為矢量速度的分布，從圖中可以看出，蝸殼舌狀部位的沖擊很小，這使離心泵處于良好狀態(tài)。但是殼體沖擊波底部的沖擊波更強，最大速度達到12.8m/s，從而產(chǎn)生振動和噪音。因此，在結(jié)構(gòu)設計階段應更加注意泵的厚度和材料。

2.2壓力分布

離心泵總壓力的分布如圖5所示，總壓力顯示出不對稱性，在流體進入離心泵入口處，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，葉片的進口處，葉片吸力面有低壓區(qū)存在，葉片頭部的壓力低的不明顯，即葉輪入口處的負壓易于吸引液體。由于渦殼內(nèi)的葉輪區(qū)域附近的動能流轉(zhuǎn)換為勢能，因此壓力達到最大0.014MPa。壓力隨著水力損失而降低。在出口處，可發(fā)現(xiàn)水壓可以達到0.0887MPa，即離心泵的最大壓力不是在出口處，而是在泵殼葉輪附近，主要是因為與水接觸的蝸殼壁不采用滑壁條件，所以流速極小。

2.3湍流場分布

離心泵湍流動能的分布如圖6所示，離心泵內(nèi)部流體的湍動能隨著葉輪轉(zhuǎn)速的增加而增加，位于葉輪出口的最大值為7.03 m2/s2。隨著設計的蝸殼流道的逐漸擴張，導致一部分的流體的機械動能逐漸的轉(zhuǎn)化成勢能，或者由于蝸殼表面的不潤滑原因，造成原本動能較大的流體逐漸減慢，致使原本的動壓力轉(zhuǎn)變成了靜壓力。所以，使湍流動能逐漸減小。

3結(jié)束語

本文通過對單吸清水離心泵IS100-80-160的三維數(shù)值模擬，得到以下幾點結(jié)論。

（1）葉輪流道內(nèi)流體流動的絕對速度值呈現(xiàn)明顯的不對稱現(xiàn)象;而且離心泵內(nèi)部的出現(xiàn)的最大速度場位于葉輪附近，并且隨著葉輪的速度變化而改變。

（2）葉輪的葉片頂端到葉片尾端，壓力是呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。在葉輪靠近進口處的壓強最小，主要是因為此位置產(chǎn)生負壓，由于負壓的原因造成流體進入離心泵內(nèi)。

（3）越靠近葉片頂端的流體渦流較大，最大值出現(xiàn)在葉片的尾端處，最大值可達7.03 m2/s2。