双吸泵的多相位定常三维数值模拟

刘国辉，闫晓伟



双吸泵的多相位定常三维数值模拟

刘国辉，闫晓伟

（92060 部队，辽宁大连 116041）

采用ANSYS CFX软件，以雷诺时均（RANS）方程和剪切应力输运(Shear Stress Transport，SST)湍流模型为基础，对双吸泵设计工况进行了多相位定常三维数值计算。模拟结果揭示了泵扬程随叶轮与蜗壳相对位置的变化规律，其平均值与试验值较接近。获取了叶轮通道的流场分布、蜗壳进口截面上压力和速度分布规律及蜗壳特征断面上漩涡结构演化特征。结果表明，多相位定常流动数值模拟在节省大量计算资源的前提下可反映出泵内流场的非定常流动特性。

双吸泵 叶轮 蜗壳 CFD 多相位 数值模拟

0 引言

由于对泵内物理量的测量和流动现象的观察极不方便，又由于近年来计算机性能的提高和计算流体力学技术的发展，采用用数值计算的方法直接研究双吸泵内部三维粘性流动已成为行业热点[1-4]。定常计算可节省大量计算资源，相对非定常计算更易于引入工程实际。

叶片与蜗壳相对位置会对泵内压力与速度流场的分布产生影响[5-8]。为了使计算结果更合理，本文采用计算软件ANSYS CFX，选用剪切应力输运（Shear Stress Transport，SST）模式封闭雷诺时均方程（RANS)方程，对双吸泵设计工况进行多相位定常三维湍流数值模拟，研究了由于叶轮与蜗壳相对位置不同而引起的泵性能和流场特性的变化规律。

1 控制方程和计算模型

1.1 控制方程

求解双吸泵内三维湍流流动的控制方程为:

下式中：fi为体积力，p为作用在流体上的压力，r为海水密度，m为海水的分子粘性系数，为湍流动力粘性系数。

选择剪切应力输运模式两方程湍流模型封闭RANS方程，该模型在边界层边缘和自由剪切层采用模式，在近壁面区域使用模型中的低雷诺数公式，两者之间通过混合函数来过渡。已经证明该模式在湍流粘性底层比具有更好的数值稳定性，且在拟压梯度较强的对数律层能较好地模拟边界层的流动特性。

1.2 计算区域和网格划分

采用SolidWorks软件对双吸泵其进行几何建模，如图1。由于双吸泵叶片扭曲较大且蜗壳形状复杂，建模时采用了分块建模中间通过交界面连接的方法。对吸水室进口和蜗壳出口都做了一定的延伸，使得流动更接近于充分发展以增加计算的稳定性。

采用了适应性较强的非结构化四面体网格对各部件进行空间离散，如图2。为准确模拟壁面边界层内流动壁面附近采用15层贴体边界层网格，第一层网格厚度0.05 mm，网格增长率1.2。在叶片和隔舌等流动变化剧烈区域进行了网格加密，提高了网格的贴体性。经网格无关性检查，最后确定网格方案如表1。

1.3 计算方案和边界条件

相位角指叶轮相对蜗壳转过的角度，如图3。首先在0°位置进行一次定常流动计算；然后将叶轮网格绕旋转轴逆时针转过一定角度，进行第二个位置的定常流动计算，其余位置以此类推，本文采用的角度间隔为10°。采用了基于有限元的有限体积法对控制方程组进行离散，这种方法同时具有了体积法的守恒特性以及有限元法的数值精确性。代数方程求解时采用了亚松弛迭代方法，收敛精度为1×10-4。

边界条件为：叶轮域设在运动坐标系，叶轮转速为设计转速，其余域设在固定坐标系；进口边界给定流量进口；出口边界设为压力出口，出口相对静压设为0 Pa；叶轮前后盖板和叶片表面，速度无滑移，相对静止；其它壁面为绝对静止壁面。采用标准壁面函数计算固壁附近流动，旋转区域与静止区域的交界面选取转子冻结模式。

2 计算结果分析

2.1 扬程

由图4可得，扬程随相位角变化很大，波动幅度占平均扬程的11.0%，多相位定常流动数值模拟反映出了双吸泵内非定常流动特性。各相位角计算结果与试验值相比，最大误差-15.2%，最小误差-5.1%。由于开始不能精确判断相位角的合理位置，单相位计算不能准确预报双吸泵的扬程特性；各相位角计算结果的平均值与试验相比误差为-8.56%，较好的预测双吸泵的宏观外特性。

2.2 叶轮轴向特征截面流场分布

由于双吸叶轮具有对称性，选择截面1和截面2来分析，其中截面1为双吸叶轮的对称面，见图5。

图6清晰的显示了叶片附着涡的的生成、演化和脱落整个过程。一个周期内只有一个叶片有附着涡，这是由于其附近流体绕流吸水室鼻端所致，此时其它叶片附近流场良好。相位角为80°和100°时，由于叶片3接近隔舌，部分水流绕过隔舌流入出流管，另一部分水流则继续随叶片旋转进入蜗壳，此处流动剧烈产生了较明显的流动分离。

2.3 蜗壳进口流场特性

由图7可见，蜗壳进口静压脉动呈不均匀分布，叶轮与蜗壳之间的动静干扰现象明显。当叶片接近蜗壳隔舌时，隔舌部位存在强烈的压力突变，这些脉动将会引起泵体的振动并产生水压噪声。蜗壳进口静压自隔舌开始到扩散管基本是均匀变化的，波动频率与叶片数一致。随叶轮与蜗壳相对位置的变化，叶片尾迹会造成蜗壳进口静压波动的峰值和谷值相位位置也发生相应变化。由于截面1接近双吸叶片的汇合处，波动特性较截面2更复杂。

图8和图9表示蜗壳进口径向速度分量和切向速度分量沿叶轮出口周向的分布，蜗壳进口沿周向的水流流动呈明显的不均匀性和三维紊流特性，且周期波动特性十分强烈，这必然是转动的叶轮和蜗壳水流流动相互干涉所致。

蜗壳进口径向速度分量沿周向分布的波动特性十分明显，波动的均值基本为一直线，表明叶轮出流比较均匀，且波动的频率和叶轮叶片的个数是一致的。由于存在涡旋流现象，切向速度分量沿周向分布大大减弱了，在隔舌位置处可以明显看到隔舌对叶轮出流十分剧烈的影响。随叶轮相位角的不同，径向速度分量和切向速度分量波动的峰值也呈变相位特性。

2.4 蜗壳特征截面流场分布

图9表示蜗壳在0°、90°、180°和270°四个特征截面的二次流分布，可见：蜗壳流道内的水流流动是一种十分不稳定的漩涡流，不同相位角时在蜗壳360°周向范围内的不同径向截面上的基本上都存在二次流流动现象。蜗壳内的流体不但沿主流方向做圆周运动，同时还存在着与主流方向垂直的二次流动，二次流应该是蜗壳内部流动水力损失的主要原因。流体由叶轮出口高速旋转进入蜗壳后，在环向0°截面和90°截面存在两个比较对称的漩涡，但随相位角的变化，漩涡的中心位置和强度都发生了明显变化。180°截面流动演化更加复杂，在100°、0°、20°时呈双涡旋形式，40°、60°时，呈单涡旋形式且涡旋中心位置不同，而80°,时该截面流动扭曲更加严重。不同相位角时270°截面流动也呈现单涡旋和双涡旋的更替过程，但强度有所减弱。这是因为二次流的形成是由离心力引起的压力梯度和蜗壳边界共同作用的结果，而该截面叶轮出口与蜗壳内壁的距离较大。

3 结论

本文分析了双吸泵多相位定常的计算结果，研究了双吸泵内部流场特征。结论如下：

（1）单相位计算不具有全局代表性，不能准确预测双吸泵性能。与非定常计算相比，多相位定常计算节省了大量计算资源，清晰有效地反映了泵内非定常流动状况，其计算扬程取均值可较好预测双吸泵外特性。多相位定常计算易于引入工程实际，便于为叶轮水力设计和叶型优化提供有利参考。

（2）在蜗壳的作用下各叶轮通道的水流流动情况随它在蜗壳中相对位置的不同而不同，具有明显的不对称性。几乎整个蜗壳内的流动都是以旋涡形式向蜗壳出口推进的，并随着包角的变化旋涡表现出十分复杂的产生、发展、演化和耗散的周期过程。

（3）叶轮与蜗壳的动静干涉作用引起了双吸泵内部非定常流动现象。在叶轮旋转过程中，蜗壳进口速度和压力沿周向分布呈明显的周期波动特性。特别是隔舌附近的非定常压力和速度的脉动值最大，表明叶轮与蜗舌间的相互干扰最为强烈。

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3-D Numerical Simulation of Double-suction Pump with Steady Multi-phase Position

Liu Guohui, Yan Xiaowei

（Unit 92060, Dalian 116041, Liaoning, China）

TH311

A

1003-4862（2013）01-0011-04

2012-04-16

刘国辉（1973-），男，讲师。研究方向：机电管理。