基于Fluent的离心泵二维流场数值模拟

谭宗柒 叶惠军 李灿灿

（三峡大学 机械与材料学院，湖北 宜昌 443002）

随着流体力学计算技术的迅速发展，数值模拟开始广泛应用于叶轮设计和流场分析中，而CFD是一种研究流体力学的数值模拟的有效方法.多重坐标系模型（Multiple Refernce Frame，MRF）的基本思想是把离心泵内流场简化为叶轮在某一个位置的瞬时流场，将非定常问题用定常方法计算.转子区域的网格在计算时保持静止，在惯性坐标系中以科氏力和离心力进行定常计算；而定子区域在惯性坐标系中进行定常计算.在两个子区域的交界面处交换惯性坐标系下的流动参数，保证交界面的连续性［1］.

离心泵是一种量大面广的机械设备，被广泛应用于各种水力机械中，包括给水排水及农业工程、工业工程、航空航天和航海工程、能源工程、车辆工程等.离心泵由于工况变化、结构设计等因素会造成运行时泵内流场的不对称性.

1 CFD模型控制方程

离心泵的内部流动属于定常不可压粘性流动，其N－S方程为［2］:

连续性方程

动量守恒方程

由于RANS方程组不封闭，故引入k－ε模型来封闭:

式中，湍动黏度可以表示为vt＝；湍动能可表示为

2 建模及分析

使用Fluent软件的前处理程序Gambit分别生成叶轮、蜗壳的流动区域，再对叶轮、蜗壳的流动区域进行网格划分，然后利用Fluent导入.msh文件进行计算［3－6］.某型号离心泵部分参数见表1.

表1 某型号离心泵部分参数

2.1 网格划分

叶轮流动区域:“Elements”对应的选项为“Tri”，对应的“Type”选项为“Pave”，相应的“Spacing”为1，共划分50464个网格；蜗壳流动区域:“Elements”对应的选项为“Tri”，对应的“Type”选项为“Pave”，相应的“Spacing”为2，共划分34192个网格.

图1 离心泵网格化及局部放大图

2.2 计算求解

采用压力速度耦合的半隐式求解，选择标准k－ε模型，经过418次迭代后控制方程收敛，得到离心泵模型速度分布图和压力分布图，如图2～5所示.

2.3 结果分析

水流从垂直于进口的方向以2m／s的速度进入叶轮，经过蜗壳的作用，从出口边流出.计算过程中流体的密度取1.225kg／m3，入口的压力为大气压101.325kPa，流体黏度1.7894×10－5kg／（m·s）.

从图2和图3可以看出，叶轮流道内流场表现出明显的非对称性.其中靠近出口的叶轮通道液流速度约为14.7m／s，明显高于其他叶轮通道；与泵壳壁面距离最近的叶轮通道处的速度约为18m／s，高于相连的与泵壳壁面较远处的速度.总体上，随着叶轮与壁面距离的增大，流速也随之增大.同时，随着叶轮的旋转，叶轮倒叶相对位置的改变，叶轮出口流速也不断发生变化，导致叶轮内部流场表现出不对称、不稳定的状态.

从图4和图5可以看出，泵内静压和总压也表现出非对称性.由于叶轮旋转做功，叶轮内的静压随着流动方向逐渐增大.叶轮离泵壳较近的下区域附近，由于液流的动能转换成势能造成泵内静压达到最大，随着沿程的水力损失，静压力逐渐降低.同时，泵内的最大压力并不在出口处，而是在叶轮离泵壳较近的下区域附近，其主要原因是涡壳与水流相接触的壁面采用无滑移壁面条件，这样流体在涡壳壁面附近的速度极小，根据能量守恒定律，此处压力比出口处的大.

3 结 论

本文基于N－S方程和标准k－ε模型，利用Fluent对离心泵的二维流场进行模拟，绘制出了速度分布图、静压分布图、总压分布图.由于泵体结构的非对称性以及叶轮与泵壳间的小空隙，离心泵内压力、速度均表现出明显的非均匀性.从而可以得出，流场的非均匀性会导致泵体受力不平衡，对泵运行的稳定性有很大的不利影响.研究内容对离心泵的优化和改进有一定的指导意义.

［1］唐 辉，何 枫.离心泵内流场的数值模拟［J］.水泵技术，2002（3）:3－7.

［2］王福军.计算流体动力学分析［M］.北京:清华大学出版社，2004:120－123.

［3］王秀勇.离心泵流动特性的数值分析［D］.杭州:浙江大学，2007.

［4］吕培文.基于CFD离心泵数值模拟及性能优化［D］.上海:华东理工大学，2010.

［5］李进良，李承曦，胡仁喜，等.精通FLUENT6.3流场分析［M］.北京:化学工业出版社，2009.

［6］陈乃祥，吴玉林.离心泵［M］.北京:机械工业出版社，2003.