离心泵叶轮内部流场的数值计算.pdf

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1、第28卷2012正第14期7月农业工程学报TransactionsoftheChineseSocietyofAgricultumlEngineering、，01．28NO．14Jul．201247离心泵叶轮内部流场的数值计算谭磊1，曹树良2※，王玉明1，邴浩2，祝宝山2(I．清华大学摩擦学国家重点实验室，北京100084：2．清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京100084)摘要：为弥补基于传统一元理论方法中流场计算的不足，该文基于流体的连续方程和运动方程，用Fortran语言编程实现了离心泵叶轮内部流场的数值计算，sl流面上采用有限单元法、岛流面上采用流线曲率法，2类

2、流面迭代计算直至收敛得到离心泵叶轮内部流场分布。对2类相对流面方法计算得到的叶轮内部流场进行了分析。结果表明，叶轮内部相对速度分布合理，叶片头部受冲击作用．压力面和吸力而流速相差较大。叶轮内部压力分布从进121到出口逐渐增大，梯度较小，叶轮做功平稳，进口处压力从后盖板到前盖板逐渐降低。同时考虑流体的连续方程和运动方程后，对比传统一元理论方法的计算结果，计算得到的轴面速度从后盖板到前盖板间各条流线的分布规律相差较大，在叶轮进口段差别最大，具有较强的三维特征，表明本文数值计算结果可更好地反映离心泵叶轮内部的三维真实流动规律。关键词：离心泵，叶轮，流场，数值计算doi：lO．39698．i

3、ssn．1002—6819，2012．14．008中图分类号：TH311文献标志码：A文章编号：1002—6819(2012)一14—0047—05谭磊，曹树良，王玉明，等．离心泵叶轮内部流场的数值计算[J]．农业工程学报，2012．28(14)：47—51．TanLei。CanShuliang，WangYuming，cta1．Numericalcalculationsforinternalflowfieldincentrifugalpumpimpeller[_，】．TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(Tr

4、ansactionsoftheCSAE)，2012，28(14)：47—51．(inChinesewithEnglishabstract)0引言1基本方程离心泵是一种将机械能转换成液体动能和压能的通用机械，在国民经济中占有重要地位111。叶轮是泵最主要的过流和做功部件，许多学者对叶轮设计开展了深入的研究【24】。近年来，基于Navier-Stokes方程和湍流模型的数值模拟技术已日趋成熟，可较好地模拟流体机械内部复杂流动现象[6-231。但基于Navier-Stokes方程的流场计算工作量大、耗时长，很难满足叶轮反问题设计和优化的需要。长期以来，离一fi,泵叶轮的设计采用基于一元理论

5、的传统方法，该方法仅满足流体的连续方程，而不满足流体的运动方程。因此，在叶轮反问题设计和优化中采用理论上更加完善、同时满足流体的连续方程和运动方程并能与工程实际应用紧密结合的流场计算方法是非常必要的。为弥补基于一元理论的传统方法中流场计算的缺陷，本文基于流体的连续方程和运动方程，求解蜀流面速度势函数方程和受流面速度梯度方程【嬲l，通过2类流面的迭代计算得到叶轮内部流场分布，对流场计算结果进行分析，以期为明确离心泵叶轮内部的三维真实流动规律提供依据。收稿日期：2011．10．明修订Fj期：2012-06-12基金项目：国家白然科学基金资助项日(51176088)：中国博士后科学基金面上

6、资助项目(201lM500315)；水沙科学与水利水电工程国家重点实验室开放研究基金资助课题(tffdll5e-2012-E-02)；作者简介：谭磊(1984一)，男，湖南浏阳人，博士后，主要从事流体机械研究，北京清华大学摩擦学国家重点实验室，100084。Emaihtanlei@mail．tsinghua．edu．cn※通信作者：曹树良(1955一)，男．甘肃会宁人。教授．博导，主要从事流体机械研究，北京清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，100084。Emaihcaoshl@mail．tsinghUa．cdII．∞2类栅揽面分为S1流面和&流面，蜀流面是以轴面流线为母线

7、的回转面，&流面是过叶栅前半径线匕流线组成的面。1．1S流面基本方程假定流场内流体为定常、无黏、不可压、流动无旋，对S，流面的基本方程[24-251引入保角变换，得到势函数方程为』昙∞挈+品(妇争=”㈩lh=h(y)式中，矗为SI流面厚度，m；妒为速度势函数；x、Y分别为保角平面的横、纵坐标。采用有限元法进行数值计算。1．2&流面基本方程假定流场内流体为定常、无黏、不可压、流动轴对称，对足流面的基本方程【雒251引入准正交线，采用流线曲率法，按照图l中的微