立式水泵性能流场数值仿真研究

张明学

（上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海 200030）

立式水泵在各个行业具有较为广泛的应用，如船舶行业中冷凝器循环水的输送、锅炉行业中锅炉水的供给、环保行业中污水的处理、建筑行业中高层楼房自来水的增压供水等等。但是，如果水泵安装位置及高度不合理、水泵运行的流量过大或者过小，都会造成非常严重的后果，如安装高度过低，水泵将水输送楼层较高时，导致压力不足，出水较小，严重影响用户的正常生活用水；水泵运行的流量不合理，除了上述水量较小问题外，还可能导致耗能增大、浪费能源等。对水泵性能的研究，可帮助解决水泵的非正常工作问题，研究水泵运行的正常工作区间，泵的最佳运行流量点等，以便泵设计厂家可以快速制造出符合要求性能的产品。

由于泵行业的快速发展，现在很多学者对水泵的研究越来越广泛。刘超等利用CFD 软件对水泵水轮机因汽蚀诱发的一系列不稳定流动问题进行了研究；李伟，施卫东等利用流场仿真和试验数据对比的方法，预测发动机冷却水泵叶轮破坏主要是由汽蚀导致，并提供了理论依据；徐俊高等对船用消防泵分别进行了流场模拟和结构仿真，确定消防泵内部流动均匀，效率较高，强度分析与水压试验数据吻合。O.Fecarotta,A.Carravetta,H.M.Ramos 等对涡轮泵性能与网格的相关性进行了研究，确定了网格划分的情况与计算泵性能的准确性密切相关。

本文利用有限体积法理论，采用非定常流场仿真计算，对多个流量下的水泵扬程和效率进行统计，获得了水泵在未考虑汽蚀状况下的性能曲线，并和实验结果结合研究，发现该流场数值仿真计算的方法是可行的，而且通过对于泵性能曲线的研究，对于水泵的优化设计、安装状况等均具有一定的借鉴意义。

1 相关理论与测试方法

1.1 泵的扬程及工作效率

衡量泵的工作性能需要确定泵扬程、效率等与流量的关系。

泵的扬程是指单位重量液体从泵进口，经过泵旋转叶轮的作用，导致液体在出口处可达到一定的液柱高度。其一般表达式为：

泵的效率是指泵的输出功率和输入功率（轴功率）的比值。其表达式为：

泵在一定转速的情况下，不同的流量对应着不同的扬程和效率（图1 中实线表示不考虑汽蚀，虚线表示考虑汽蚀）。

图1 泵性能曲线下降的形式

1.2 泵性能实验测定

因为泵的内部构造、叶轮样式以及转速的不同，导致其具有不同的性能参数。本次实验的目的主要测量立式水泵在一定转速下的性能曲线，即扬程-流量、效率-流量曲线。由于常温水流经泵时，会因为摩擦、环流等的影响，导致水的能量会有不同程度的损失，这部分能量损失很难通过计算获得，因此一般采用实验方法，直接测量泵的性能曲线，并获知泵的最佳工作范围。本次实验装置与流程图，如图2 所示。

图2 立式水泵实验装置与流程图

1.3 有限体积法

有限体积法（FVM）是目前流体仿真软件应用较为广泛的理论，与其相似的理论还有有限差分法、有限元法等等。其主要是对整个计算域划分六面体网格，相邻的六面体之间具有共同的节点，而相邻的六面体并没有重合区域，主要通过节点传递数据，将待求解的控制方程对每个六面体单元进行积分，可以得到一组离散求解方程，所求解的未知量就是节点的一系列流场参数，如速度、压力等。

目前利用有限体积法理论，计算流场流动和传热问题的软件，主要有FloEFD、ANSYS CFX 等，本文主要利用SolidWorks Flow Simulation 对水泵的流场进行模拟仿真，计算分析所需的流量、扬程、效率等参数，查看泵的工作性能状况。

图3 立式水泵模型

图4 叶轮表面网格

2 流场仿真计算

2.1 基本参数

本文以某立式蜗壳水泵为研究对象，通过与实验相结合的方法，研究该泵的工作性能情况，查找其最佳性能点以及其较好的工作区间，以防止其性能无法正常发挥。

该泵主要由驱动主轴、叶轮、泵体蜗壳、单一的进水和出水流道组成，叶轮叶片数为6。

本次立式水泵模型主要由SOLIDWORKS 创建，如图3 所示。

有限体积法需要对整个计算域划分六面体网格，本次分析属于泵体内部流场分析，计算结果精度主要与泵体内部流体网格及其内壁面接触网格相关，流体网格总数为798246，接触固体（泵体内表面、叶轮外表面）的流体网格为434424。叶轮表面网格划分情况，如图4 所示（叶轮表面无网格处，是由其和泵体内壁无缝接触导致）。

2.2 边界条件

该立式水泵的工作原理是水通过入口轴向流入叶轮，经过叶轮转动，水由叶轮径向流到出口位置。本次流场分析采用k-ε 湍流模型、局部区域（滑移）的旋转类型进行分析，滑移方法主要处理动静干涉较强的情况，即叶轮与泵体相互影响导致水流动非常剧烈且不稳定的情况，因此，该分析必须采用瞬态流场分析。

该立式水泵叶轮转速为500RPM，入口总压恒定为0.2 MPa，出口采用不同的流量以获取泵的性能曲线。根据泵的相关设计经验可知，泵的性能曲线需要较大的流量范围才可精确捕捉其变化趋势，故本次分析设定的出口流量范围为3.0m3/s～7.0m3/s，步长为0.5。

SOLIDWORKS FLOW SIMULATION 具有目标功能，可将泵的效率、扬程设置成方程目标进行监测，查看泵在运行过程中，相关目标随时间的变化情况，确定其是否已达到稳定且具有一定的可信性。

3 计算结果与分析

为了获知立式水泵的工作性能情况，本次共进行了9 个工况的模拟，每个工况除了出口流量不一致外，其余参数均相同，本次分析主要集中于流场的流动情况及泵的性能曲线。

3.1 流场分析

泵体内部流场的静压分布、速度分布及漩涡分布等是影响泵性能的关键因素，其可以有效地反映对泵性能的影响。图5 中（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f）、（g）、（h）、（i）反映的是相同时刻点处，出口流量在3.0～7.0m3/s，步长为0.5 时三垂直交叉截面的结果分布情况。

由图5 中速度、漩涡分布云图可知，不同流量下，三垂直交叉截面的速度大小基本一致，但是在出口位置，泵体内某些位置的速度分布，漩涡数量差异较大。在俯视截面中，流量大于6.0m3/s 时，发现在出口位置会产生漩涡，影响流场流动；在正视、左视截面中，流量为3.0m3/s 时，漩涡要比其他流量的数量多，而在7.0m3/s 时，漩涡数量最少，中间流量下的漩涡数量基本一致，但是其位置存在差异。

通过图5 中压力分布云图可知，随着出口流量的增大，三垂直交叉截面的最大压力由0.99MPa 逐渐减小为0.73 MPa，由压力分布颜色可知，流量在3.0～4.5m3/s、6.5～7.0m3/s 之间，叶片部分区域的压力分布很不均匀，叶片根部部分位置出现负压，极有可能会导致泵体性能下降。速度、压力分布对泵的扬程影响较大，而漩涡较多，则会导致泵的工作效率不高。通过上述分析结果可知，立式水泵在4.5～6.0m3/s，其工作性能较好。

图5 立式水泵在不同出口流量下的速度、漩涡、静压分布

3.2 泵性能曲线分析

泵的性能曲线由流量—扬程、流量—效率构成，性能曲线上的任意一个点对应的是泵的一个工作工况，立式水泵的流场数值仿真性能曲线情况（未考虑气蚀），如图6 所示。

图6 立式水泵的性能曲线

表1 给出了该泵部分典型工况的测试数据。

从两者的结果数据对比可知，实验的扬程比数值仿真的结果稍微小一些，而效率要比其稍微大一些，该结果差异，主要原因有以下几点：（1）数值仿真的水位高度与实验的水位高度存在差异；（2）数值仿真的流量和转速与实验数据存在差异；（3）数值仿真中未考虑水泵气蚀的影响；（4）实验时，水中具有一定的含沙量。

通过表1 的效率数据可知，实验并不能准确获得水泵的最佳工作性能点，因此，工程上主要通过实验获得泵的一定工作区间，因实验条件限制，本次实验并不能较好地确定泵的工作区间范围，但是因为实验和数值仿真的结果基本一致，这说明对于采用流场数值仿真来分析水泵的性能是可行的。

通过数值仿真结果可知，立式水泵的最佳工作性能点位于5.5m3/s 左右，效率在89%左右，对应扬程在60m 左右。在《现代泵理论与设计》中提到，在最佳工作性能点附近，通常将效率下降的5%～8%作为其工作范围，因此，本次分析的最小工作范围在4.5～6.0m3/s，在该区间中，立式水泵的工作性能较佳。

表1 立式水泵的试验数据

4 结语

通过对立式水泵的流场仿真，对于不同流量下泵的工作性能有了进一步的认识和理解，主要得到以下结论。

（1）泵内流场的速度、压力、漩涡分布与流量的大小息息相关。流量过小，将会导致泵内流体产生过多的漩涡，并导致内部压力增大，而流量过大，则会导致出入口产生较多的漩涡，都会对泵的工作性能产生较大影响。

（2）通过对不同流量下的扬程、效率进行整合分析，发现随着泵流量的增大，扬程逐渐减小，而效率则成下开口抛物线形式，存在最佳效率点，在最佳效率点附近的一定范围值，可以获知相应泵的最佳性能工作区间。

（3）通过数值仿真和实验结果的对比可知，两者的效率、扬程因部分原因存在些许差异，但采用数值计算方法对泵的最佳性能点和工作区间的确认是可行的。

立式水泵在各个行业具有较为广泛的应用，通过对泵的性能进行流场数值仿真，不仅可以获知泵的正常工作性能，而且对泵的安装、运行及结构设计均有重要的指导意义。