矩形迷宫泵内部流场的数值模拟及试验研究

马庆勇，张奇志，张 林，冯思兰

矩形迷宫泵内部流场的数值模拟及试验研究

马庆勇，张奇志，张 林，冯思兰

（中南林业科技大学，湖南长沙 410004）

结合矩形迷宫螺旋泵的流动特点，采用雷诺平均N-S方程和RNG湍流模型，对矩形迷宫泵内三维流场进行模拟，分析其转子、定子面的流动情况和压力状态，从而得到其内部流动的主要特征和外特性。结合试验结果，分析预测值和试验进行分析，从而为矩形迷宫泵设计、改进、优化提供有益补充。

迷宫泵；数值计算；性能预测

1 前言

迷宫螺旋泵是一种非接触性的动力泵［1，2］，也是一种小流量、高扬程、低比转速的新型特种泵，其特点是使用安全可靠、寿命长。使用中可获得较低的比转速（ns＜＜20）的稳定工况。在输送含颗粒黏性介质、耐腐蚀介质和超低流量工况中有独特优势，随着我国现代化工、石油化工工业的不断发展，需要小流量、高扬程的场合越来越多，故迷宫螺旋泵被广泛应用于机械、化工、石油部门中输送腐蚀性介质或含颗粒的腐蚀性介质。迷宫螺旋泵中的螺旋体作为输送介质的做功元件，其螺旋槽截面形状和几何参数的选择对泵性能影响较大。一般来说，三角形迷宫泵所获得扬程最高，半圆形迷宫泵的效率最高，而矩形、梯形迷宫泵居于其中。本文以矩形迷宫泵为研究对象，采用CFD软件对其流场进行数值模拟，分析其流动情况，预测其性能特点，并通过试验来验证其模拟结果。

2 工作原理

迷宫螺旋泵是在迷宫螺旋密封的基础上演变而来的，它的主要部件是一对带有多头螺纹的转子和定子，但转子和定子上的螺纹旋向相反，且之间留0.1～0.5mm的径向间隙，此间隙所形成的工作腔体称为迷宫螺旋体，当转子逆其自身螺旋方向旋转时，螺旋槽对槽中液体作用力一方面推动液体克服摩擦力作圆周运动，另一方面还推动液体沿轴向前进，这样液体由黏性而产生的摩擦力作用在槽内的液体上，使之产生轴向反压，转子和定子对液体的总轴向推力就形成了迷宫螺旋体的泵送压力，当然，高压侧流体在压差的作用下，顺着转子和定子组成的螺旋槽间隙流动，形成压差流，当泵送流大于压差流时，就形成了一台迷宫螺旋泵［3～6］。迷宫泵结构如图1所示，转子螺纹如图2所示。

图1 迷宫泵结构示意

图2 定转子螺纹示意

3 数值模拟

设计泵基本参数：流量Q=2.5m3/h，扬程H=48m，转速n=2950r/m in，比转速ns=15.56螺旋槽的槽型形状为矩形螺旋槽，其几何参数根据设计要求计算确定，其中槽深t=3.0mm，螺棱宽a=1.7mm，螺槽宽b=3.40mm，头数z=20，螺旋升角α=65°，螺旋体长度L=300mm，螺杆与螺套之间的间隙为30mm。

3.1 控制方程

数值模拟采用N-S方程并以k-ε湍流模型组成闭合方程组，由于迷宫螺旋泵自身的特点，容易产生回流和二次流等。RNG模型在预测回流和分流流动问题中，获得了令人满意的效果，同时由于迷宫螺旋泵内部转子，定子流道的复杂性，在进出口处易产生回流，所以本文采用标准 RNGk-ε 模型［7～10］。

其中

式中μeff——有效黏性系数

μ ——分子黏性系数

3.2 边界条件

由于流量已知，进口采用速度进口，进口压力取大气压。湍动能k，湍动能耗散值ε采用经验公式出口采用自由出流。

3.3 网格划分

由于螺旋槽尺寸比较小，又是传动的主要部件，故需进行加密。在网格划分过程中将整个计算区域分为3个子区域：子区域一：由进口与进液环腔组成；子区域二：出口和出液环腔部分；子区域三：中间螺旋腔部分。网格结点距离定义为1.5，最终生成网格626584个。3个区域的网格用Tg rid进行合并。

3.4 模拟结果及分析

本文以清水为流体材料，在转速为n=2950r/m in时，对矩形迷宫螺旋泵内部流场进行了三维湍流数值模拟计算，得到了其速度场和压力场的分布情况，模拟结果如图3～7所示。

（1）图4中，Y=10mm、Y=160mm、Y=290mm分别表示距离xoz平面轴向距离10，160，290mm的圆周截面。从图3，4可看出，随着动、定子的转动，螺纹槽内的速度越来越大，且定子内速度大于转子内速度。

（2）由定、转子速度场分布（图3，4）可知，在螺旋转子的作用下，使螺旋槽内的介质获得能量。转子区域的流体的速度大于定子区域的流体速度，说明转子螺旋部分对泵工作的贡献比定子螺旋部分大。螺旋转子螺纹腔内介质在螺纹斜面推力作用下，获得径向和周向速度；其速度矢量方向大体沿螺旋升角方向周向旋转前进。而在反向的螺旋定子螺纹腔内轴向推进速度相对较小，甚至出现反向流动，出现液流紊乱。在高速旋转螺旋转子作用下，介质有较大的圆周速度并且均匀分布。在螺旋腔内，由于压能的增大，使得越靠近螺旋腔出口处的速度逐渐增大。

图3 转、定子对称面速度矢量分布

图4 转、定子圆周端面速度分布

（3）由转、定子压力场分布（见图5～7）可知，压力从进口到出口沿螺旋槽逐渐升高，在出口处由于能量损失而有明显衰减。

图5 对称面上总压等值线分布

图6 定子螺纹槽内上总压等值线分布

图7 转子螺纹槽内总压等值线分布

4 试验研究与数值模拟对比

试验在湖南省水力机械质量监督检验授权站试验台上进行，以常温清水为介质。按GB/T3216-2016进行试验，试验从零流量开始，到大流量点均匀取13测试点。同时采用CFD分析方法通过静压图、流场分析图等工具，计算出每个流量点的性能数据，为了和试验对比，同样取零流量到大流量点13个点。试验性能曲线和CFD模拟性能曲线的对比如图8所示。

图8 试验与CFD模拟性能曲线对比

从图8曲线可知：此工况下最优工况点为Q=2.3m3/h，效率可达到 24% 以上，H=54.5m，N=1.39kW。从测试性能曲线可看出：最优工况点也在Q=2.3m3/h附近，H=50.2m，效率可接近达23%，但在设计流量Q=2.5m3/h处时，效率为，与设计值25%存在一定的差异。从两者曲线的对比情况可看出：两者的变化规律相同，说明了CFD计算方法可以较为真实地预测矩形迷宫螺旋泵的外特性，取得了比较理想的效果，但在准确性上存在一定的偏差。

对比试验曲线和模拟曲线可知，试验曲线均明显低于CFD模拟曲线，这是因为，在实际的泵运转中，泵会产生3种损失：机械损失、容积损失和水力损失，合成以后才是泵总的效率。而模拟试验中，3种损失并不一定存在。这是因为：（1）由于采用理想的液体和理想的边臂条件，机械损失在模拟中并没考虑；（2）由转定子组成的过流部件，虽没有传统泵的容积损失大，但也会有沿着定子边臂的回流（很小），故多少也会产生一些容积损失；（3）水力损失分沿程损失（水力摩擦损失）和局部损失，模拟中没考虑沿程的损失。故CFD由于模拟中未考虑机械损失、容积损失、水力损失中的沿程损失（水力摩擦损失），故模拟结果会比实际结果偏大。

5 结论

（1）从图3，4可得，液流进入液环腔处会出现二次回流的现象，这是由于不均匀的滞止压力受不规则流线曲率和螺旋转子的哥氏力作用。

（2）从图5～7可得，介质出口处有较大的压降，可能是因为液流由螺旋区进入出液环腔流道突然增大，并且到泵出口，有流动方向的改变。在设计时可以考虑通过增大进口液腔的环空体积，或改变出液环腔成流线形状向出口过渡以降低出口压力损失。

（3）从图8可得，数值模拟的计算结果和试验所反映的外特性规律基本一致，这说明文中采用的计算模型基本符合迷宫泵内部流场的实际情况，为迷宫泵的数值模拟提供依据。尤其目前在迷宫泵设计理论还不完善情况下，可以用数值计算作为泵性能预测和改进设计；在图8中CFD预测的扬程H和效率η都略高于试验值，这是因为数值模拟采用理想的流体和理想边臂条件，而实际流体有沿程损失和局部过流面积变化的损失，故扬程和效率都会偏低。

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Numerical Calculation and Experimental Study on Rectangle Labyrinth Screw Pump

MA Qing-yong，ZHANG qi-zhi，ZHANG Lin，FENG Si-lan
（Central South University of Forestry and Technology，Changsha 410004，China）

Combining with the flow characteristics of rectangle labyrinth screw pump，using Reynolds averaged N-S equation and RNG turbulence model，Three dimensional flow field in a rectangular labyrinth pump is simulated，analyzed to the flow condition and pressure state of the rotor and stator was obtain the main characteristics and external characteristics of the internal flow/Combining test result，analysis the distinguishing of predicted values and tests result，So as to provide a useful supplement for the design，improvement and optimization of the rectangular labyrinth pump.

serew pump；numerical calculation；performance prediction

TH3

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.11.001

1005-0329（2017）11-0001-04

2016-08-03

2016-09-30

马庆勇（1980-），男，讲师，主要从事流体机械方面的研究，通讯地址：410004湖南长沙市韶山南路498号中南林业科技大学机电工程学院，E-m ail：g lodb raver@qq.com。