离心泵蜗壳效应数值模拟与分析

王晓彬

(珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070)

当飞机非常接近地面飞行时，因地面的存在，迫使绕过飞机扰动的气流方向朝着平行于地面的方向改变，致使飞机的绕流场不同于无地面的情况，因此作用在飞机上的气动力也发生改变，这种现象称为地面效应[1]。

离心泵的蜗壳也具有同样的作用，当叶轮没有蜗壳导流时，流体的流动方向不会发生改变。当叶轮外侧有蜗壳覆盖时，流体会沿着蜗壳流向蜗壳出口，并转化部分动压为静压.蜗壳内的流动十分复杂。流体在沿着蜗壳流动的同时，不断有流体从叶轮进入蜗壳，即流体一面流动一面混合。此外，叶轮出口流体的不均匀性和流体黏性的影响使蜗壳内的流动更加复杂。蜗壳不仅直接关系到蜗壳内的流动损失，还对叶轮的性能有反影响[2]，因此研究离心泵蜗壳效应是非常有必要的。

本文利用数值模拟的方法，从二维离心泵蜗壳出发，研究离心泵蜗壳内流动特性的变化规律与形成的机理。

1 物理模型与计算方法

本文选取某离心泵进行研究，叶轮直径700mm，轮毂直径350mm，叶片数为6，转速为1470r/min。

利用FLUENT软件求解定常不可压缩流动的Navier-Stokes方程[1]。

连续性方程：

动量方程(雷诺平均运动方程)：

为了保证方程组封闭，引入标准k-ε两方程模型：

式中的k和ε由下面两个方程求出：

式中经验常数Ck=0.09～0.11[3]。

式中经验常数Cε=0.07～0.09，Cε1=1.41～1.45，Cε2=1.9～1.92[3]。

解得k和ε后代入

式中Cμ=0.09[3]。此时方程组封闭可求解。

对模型进行非结构化网格划分，共有2个网格区域，10个面，节点数有41551个，网格单元有79998个，最大长宽比5.10。网格划分之后如图1所示。

计算采用压力速度耦合半隐式求解。空间离散格式采用SIMPLE二阶迎风格式，边界条件为进口流量及出口平均压强[4]。

图1 离心泵叶轮及蜗壳网格模型

2 数值模拟结果及分析

利用FLUENT软件对离心泵进行分析后，导出速度云图和总压云图如图2和图3所示。

由图中可以看到离心泵中叶轮的总压是非对称性的，越靠近蜗壳出口处压力越小，而叶轮的速度云图是对称性的，由于蜗壳的存在，导致蜗壳的近壁面附近液体速度非常小，并且沿着蜗壳壁面到达蜗壳出口，同时速度因为叶轮的转动而逐渐增大。而对于流场总压来说，由于蜗壳的作用，导致液流在壁面处动压转化为静压，所以蜗壳壁面处受到的静压比较大(见图4)，随着蜗壳与叶轮的距离逐渐增大，由于水力的损失，总压和静压也随之减小。

图2 某离心泵二维流场的总压云图

根据模型分析，还需要值得注意的是，蜗壳出口离叶轮出口最近位置附近存在低压区，导致流体

图3 某离心泵二维流场的速度云图

图4 某离心泵二维流场的静压云图

图5 某离心泵二维流场的速度矢量图

在此处产生回流，如图5所示。这样会对流体正常流出造成阻碍，产生能量损失。在离心泵设计时，应对此处进行优化，减小能量损失。

3 结论

本文利用FLUENT软件对某离心泵进行数值模拟分析，根据数值结果和分析，可以得出以下结论：离心泵的叶轮的速度场是对称性的，但总压云图是非对称性的，这样会影响到离心泵蜗壳的稳定性；蜗壳与叶轮距离较近的壁面会受到流体较大的冲击，随着蜗壳与叶轮的距离逐渐增大，以及流体在流动过程产生一定的损耗，蜗壳的壁面受到的压力会逐渐减小；蜗壳出口离叶轮出口最近的区域存在低压区，造成流体回流，对流体的损耗造成影响。研究内容对离心泵的蜗壳的优化和改进具有一定的指导意义。

[1] 秦绪国，刘沛清，屈秋林，等.多段翼地面效应数值模拟与分析.航空动力学报[J].2011,4(26)：890-896

[2] 成心德.离心通风机[M].北京：化学工业出版社，2006

[3] 林建忠，阮晓东，陈邦国，等.流体力学[M].北京：清华大学出版社，2005

[4] 谭宗柒，叶惠军，李灿灿.基于Fluent的离心泵二维流场数值模拟[J].三峡大学学报，2011,6(33)：54-56

[5] 陈乃祥，吴玉林.离心泵[M].北京：机械工业出版社，2003