对冲压焊接多级离心泵叶轮内部流场的计算机辅助分析

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1、万方数据第43卷第8期2007年8月机械工程学报v01．43No．8CHINESEJOURNALOFMECHANICALENGINEERINGAⅡg．2007冲压焊接多级离心泵叶轮内部流场的计算机辅助分析，刘元义1王广业2(1．山东理工大学机械工程学院淄博255049；2。日照职业技术学院机械电子工程系日照276826)摘要：基于时均N．S方程、标准．

2、}一占湍流模型和壁面函数法，在旋转坐标系中利用SIMPLE算法，对圆柱型、机翼型和堵塞流道型三种类型叶片的冲压焊接多级离心泵叶轮内部三维湍流流动进行数值计算与分析。研究冲压焊接多级离心泵叶轮叶型对流速分布、压力分

3、布和泵性能的影响规律，揭示离心泵叶轮通道内部流动的主要特征。利用计算流体动力学(CFD)商用软件ANSYSCFx的数值计算结果，得到了三种类型叶片的叶轮在设计工况下的效率，并与相关的试验数据进行了比较。预测结果与相关的试验数据相吻合，验证了利用ANsYSCFx对冲压焊接多级离心泵叶轮内部流场进行数值模拟的可行性和有效性，减少了对试验数据和设计经验的依赖，为冲压焊接多级离心泵叶轮方案的优化和选择提供参考。关键词：冲压焊接多级离心泵叶轮效率计算机辅助分析中图分类号：TH313O前言20世纪40年代末至50年代初，国外开始采用数值计算方法预测离心压气机叶轮内的无粘流动

4、，到了20世纪70年代，无粘数值模拟已达到了相当高的研究水平，并陆续应用于工业设计中，使得考虑真实流体粘性效应的数值模拟开始受到人们的重视。20世纪80年代，求解Re帅olds平均N．S方程的叶轮内部流动湍流数值模拟得到了迅速发展，为认识和掌握离心叶轮内部复杂的三维真实流动开辟了新途径。近年来，叶轮机械内部湍流数值计算大都采用有限差分法求解七一占湍流模型或各种改进的模型，大多数是针对可压缩流场的，计算对象是燃气轮机、压气机、航空推进器等。原因在于不可压流体的数值模拟有其特殊的困难，表现为动量方程应同时满足动能守恒与动量守恒，而在可压流体的数值模拟中可引入能量方程

5、或状态方程，从数值计算方面，要同时满足动量与动能守恒较为困难。目前，数值求解不可压流体的N．S方程使用较多的方法是压力校正法(PCM)，其中使用最广泛的是压力一速度校正法(PVC)，PATANKAR等在1972年提出SIMPLE算法，其含义为“求解与压力耦合的方程组的半隐式方法”【l】，随后又出现了多种改进的型式，如20060924收到初稿，20070404收到修改稿SIMPLER、SD讧PLEC、SIMPLEST等，均已取得成功。综上所述，在湍流计算方面已经取得了一定的理论积累和成功经验，叶轮机械的数值模拟已成为当前国际上最活跃的研究领域之一。本文针对冲压焊接

6、多级离心泵叶轮内部流动进行三维湍流数值模拟，目的是较为准确地模拟叶轮内部的流场分布，获得丰富的流场信息，从而掌握离心泵叶轮内部的流动规律，减少对设计经验和试验数据的依赖，以便缩短研制周期、降低生产成本，为设计和改进冲压焊接多级离心泵叶轮提供依据。另外，冲压焊接多级离心泵叶轮薄叶片、大包角和流道光滑的特点，决定了其内部流场的复杂性【2】，因此对冲压焊接多级离心泵叶轮内部的三维湍流数值模拟，既具有非常重要的理论意义，又具有重大的应用价值。1控制方程假设叶轮转速恒定，三维不可压缩非定常流动的连续性方程和动量方程可以表示为‘341连续性方程旦绁：o魏万方数据机械工程学报

7、第43卷第8期动量方程绁：一塑=．士挑式中p——流体密度矿——莆压p—呻雎8xj以——有效粘性系数墨，■——石、y和z坐标，f，J=l，2，3，f≠_，吩，吩——绝对速度分量甜、V和w，f，_，=l，2，3，f≠J2后一占湍流模型式(8)、(9)中，以为湍流能量生成项，对于不可压缩流体(2)以=“VⅣ·帆+VHT)一詈V·砧(以V科纠(10)式(1)、(2)、(8)和(9)组成一个封闭的非线性偏微分控制方程组【5】。式(2)中，以等于分子粘性系数∥与湍流涡旋粘性系数从之和以=∥+从(3)式中麒是湍流速度尺度K及湍流长度尺度五模拟的结果，引入比例常数C。。【4】以

8、=以‘K(4)从双方程模型得到K=厩(5)式中七——湍流能量，由输运方程确定在标准七一占双方程湍流模型中假定长度尺度是扩散的，并且当湍流扩散尺度是各向同性时，得到湍流耗散率暑七3／2占=一，t因此湍流涡旋粘性系数从司以由式(4)～(6)联立求得从：巴p竺(7)式中巴是一个常量，其值为0．09，七、占的值可由湍流能量和湍流耗散率的输运微分方程中得到警+V·(朋七)一V·(‘％)=仇一胪(8)警m(胛)书(cV占)_妻(ct＆一c：∥)(9)式中印——速度耗散系数为疋叫尝L叫等ak06常数q1=1．44，e，=1．92，吼=1．O，盯。=1．3。3边界条件与数值计算

9、以圆柱型、机翼型和堵塞流