混流泵内部流动的三维数值分析.pdf

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1、铷城建／水I业通用机械GMinCiu．，Construction＆Waterlndusfn～'西华大学机械工程与自动化学院(四川成都610039)闰利宇杨昌明郑军郭冉【摘要】以某型号混流泵为研究对象，基于三维不可压缩流体的N—S方程和标准七一E湍流模型，采Fluent6．3软件对在不同工况下的内部流场进行了三维定常湍流数值模拟。分析了变工况下混流泵内部流场的压力、速度分布，获得了其内部流动特性的主要特征，预测了泵的水力性能。结果表明，基于CFD的数值模拟计算模型能够很好地预测混流泵的特性，数值模拟结果为混流泵的优化设计提供了数值依据。【关键词】混流泵内部流场数

2、值分析一、前言随着混流泵技术广泛应用于农田排灌、防涝排洪、水利工程、污水处理以及电站冷却系统等各个领域，在现代混流泵设计领域中，对混流泵各项性能的要求也随之增加。然而，由于混流泵内部的流动在多数情况下处于湍流状态，研究比较困难。在较长一段时期内，人们通过大量试验研究水泵的主要几何尺寸与水力74黑黑黑：Ⅲ年籼性能之间的关系，不断地改进计算公式或设计方法，这种设计方法成本非常高，而且设计周期也非常长。近年来，随着计算机技术与数值方法的发展，计算流体力学(ComputationalFluidDynamics)技术广泛地应用于混流泵的水力设计中，使研究人员可以在不做模

3、型试验的条件下，通过计算机数值模拟，详细地分析泵内的流动状态，掌握内部流场的分布规律，对水泵叶片的几何尺寸和形状进行优化，提高混流泵的性能和设计水平。本文采用计算流体力学软件(CFD)，以某混流泵模型为研究对象，研究了该混流泵内部流场，并进行了压力、速度分析，对其性能进行了预测；通过混流泵性能曲线的试验数据对比，验证了数值模拟结果的可靠性。为混流泵的进一步优化设计提供了数据支持。二、三维流道模型的建立选取比转速n。=350的混流泵作为分析对象，其设计工况：转速n=l450r／min，流量Q=180m3／h，扬程H=5m，效率，7=83％，叶片数为4。叶轮叶片是

4、极为复杂的空间曲面，利用高级三维建模软件UG6．0完成该混流泵叶轮流道的三维几何造型，如图l所示。图1叶轮流道的三维模型数值计算方法及其边界条件1．划分网格在CFD的计算过程中，网格的合理设计和高质量生成是前提条件。网格划分是实现流动控制方程数值离散的基础。网格是数值模拟与分析的载体。网格质量与计算精度和计算效率密切相关。此处采用面向CFD的专用前处理软件GAMBIT，选用非结构混合网格对叶轮的三维模型进行网格划分，网格质量的最小值为1．5，计算单元的总网格数约为1493242。网格模型如图2所示。图2叶轮的网格模型2．数值计算方法鉴于混流泵内部流动情况较为复

5、杂，从统计的平均角度出发，可将混流泵叶轮的内部流动定义为理想情况下的定常流动。流动介质为清水，密度998．2kg／m3，液体黏度为0．001003kg／(m·s)。假设流体为不可压缩，基于雷诺平均N—s方程，选择标准k一占双方程湍流模型以及simple算法进行分析。3．边界条件边界条件是控制方程获得确定解的前提，是CFDIhq题的关键，边界条件是在求解区域的边界上所求解的变城建／水I业通用机械铷GMinCityConstruction＆WaterIndustO,量或其导数随时间和地点变化的规律。边界条件的设定是否合理，将直接对计算结果的精度产生影响。(1)入口

6、边界条件对于不可压缩的流体来说，进I：1边界条件大可不必定义为质量流动入口边界，采用速度入I：1边界条件即可。(2)出口边界由于叶轮内部流场可能出现回流状况，故采用压力出1：1边界条件。出口压力根据混流泵设计工况的扬程计算。(3)固壁边界固壁边界采用无滑移条件，近壁区域采用标准壁面函数处理。即对于湍流核心区的流动使用k一5模型求解，而在壁面区并不进行求解，直接利用半经验公式得出该区域的速度等物理量。四，计算结果及分析1．压力分析由图37看出，叶片表面的静压分布：从总体上看，流体进入叶轮后压力从进I：1到出口逐渐增加，压力梯度明显。■：==●：=●：：=一：=眨

7、I1：：=．Q=Q。)叶片压力而的静■：：：=一=Q=Q，《l已，薹、h)叶片暇，J【hi的静JIi分n】图图3叶片表面静压分布1)随着流量的增加，叶片压力面的静压变化较小，而吸力面静压变化比较明显。2)叶片压力面上的静压由进I=1位置向出I：1位置逐渐增大，这是叶轮旋转时叶片对流体做功的结果。3)叶片吸力面进13处出现明显的低压区，该区域容易产生汽蚀现象，与叶轮发生汽蚀的实际位置相吻合。2．速度分析经过数值分析，得出叶片表面的速度分布情况，2014年籼然co麓rni75第l期Ⅵmv．e研x．●U、一～一叶片吸力面的速度矢量图如图4所示。从整体趋势来看，流体在

8、吸力面上的流速明显大于在压力面上的流速