严建华，滕国荣，朱方能，2，刘栋，2

（1.江苏省特种化工泵工程技术研究中心，江苏 靖江 214537；2.江苏大学 能源与动力工程学院，江苏 镇江 212013）

0 引言

在制浆造纸、石油化工等行业中，离心泵内部结盐现象相当普遍。解决泵内部伴有盐析的液固两相流动这一基础科学问题一直是学术界和工程界的难题。由于黏性的影响及伴有盐析的液固两相流动，使离心泵叶轮内部流动非常复杂。为揭示盐溶液在离心泵内部流动的真实情况，本文着眼于在清水状态下，叶轮叶片出口安放角对离心泵内部流动情况影响的试验研究。

目前以叶片出口角对离心泵外特性影响的研究成果很多。何希杰［1］进行了低比转速离心泵主要参数对性能综合影响和排序的研究，研究证明叶片出口安放角对扬程有较大的影响。谈明高等［2］进行了离心泵出口角对能量性能影响的CFD 研究，发现叶片出口角的改变对叶轮内的射流-尾迹结构影响最为明显。叶轮流道内的尾迹区域随着叶片出口角的增大而变大，这个变化对蜗壳的叶轮流道内最为突出。吴贤芳等［3］研究了叶片出口角对离心泵性能曲线形状的影响，通过对不同比转数离心泵在不同叶片出口角下性能曲线的分析对比发现，叶片出口角对高比转数离心泵的性能曲线形状影响最为明显。

为了揭示出口角对离心泵内部流动的影响，本文采用Fluent 软件对离心泵在不同出口安放角叶轮中的内部流场进行了数值模拟，分析了离心泵内压力和速度分布规律，并比较了不同叶片出口安放角对压力场和速度场的影响规律，根据计算结果作出了叶轮出口速度的圆周分速度的曲线图和泵的性能曲线图。

1 研究方法

1.1 控制方程和湍流模型

本文基于不可压流体的连续方程和雷诺时均的N-S方程作为流动控制方程，采用标准k-ε 湍流模型来模拟离心泵叶轮内部三维湍流流动。采用有限体积法对控制方程进行离散，压力和速度耦合采用收敛速度较好的SIMPLE 算法。压力方程的离散采用标准差分格式，动量方程、湍动能方程和湍流耗散率方程的离散采用二阶迎风格式进行离散［4］。

1.2 边界条件

1）进口边界条件设置为质量流量进口，根据离心泵的设计流量选择质量流量数值。

2）泵出口处满足符合流动充分发展条件，出口边界设置为自由出流条件（outflow）。

3）固体壁面设置为壁面无滑移条件，近壁面采用标准壁面函数处理。叶轮区域壁面设置旋转区域，转速为1 450 r/min，蜗壳及进出口管壁设置为静止区域。

4）交接面设置为动静交界面，旋转叶轮与静止进水管和静止蜗壳之间的动静耦合和相互干扰问题，采用多重参考坐标系（MRF）模型。把离心泵内部流场简化为叶轮在某一位置的瞬时流场，将非定常问题简化为定常问题计算。

1.3 研究模型

离心泵叶轮采用速度系数法设计，设计流量Q0=20 m3/h，设计扬程H=10 m，额定转速n=1 450 r/min，叶轮外径D2=185 mm，出口宽度b2=10 mm，叶片数z=5，比转数ns=70.2，本文研究了3 种情况叶片的出口安放角，分别为30°、40°和50°，图1 显示了不同叶片出口角叶片型线对比。

采用Pro/E 软件对离心泵的叶轮和蜗壳建立三维模型，并对叶轮进口和蜗壳出口做一定的延伸处理，采用ICEM 软件对模型泵进行网格划分，由于叶轮和蜗壳的计算域较复杂，故采用对复杂几何适应性较好的非结构四面体网格。30°，40°，50°出口安放角叶轮划分的网格单元数分别为360 002，366 162，360 670。

图1 不同出口安放角型线

2 计算结果分析

针对所研究的离心泵模型，工作介质采用常温清水，在设计工况下进行数值计算，经过约800 余次迭代计算达到收敛，计算结果分析如下。

2.1 压力分布

图2 压力场分布

图2（a）为设计工况下，出口安放角为30°时压力分布。从图中可以看出，压力在流动方向上逐渐增加，在蜗壳出口处压力达到最大值。压力在叶轮中分布均匀，从叶轮进口到叶轮出口压力逐渐升高，进口处的压力最小，且具有较大的梯度，工作面的压力大于相应位置背面的压力，因而进口背面处也是最容易发生气蚀的地方。在隔舌部位，由于其阻碍影响，致使此部位的压力有一定的波动，而且隔舌处有少量的回流和漩涡。由于蜗壳是扩散的管路，因而压力在其中是逐渐增加的。对比图2 中不同出口安放角的压力分布可以看出，压力的分布趋势一致，随着出口安放角的增加，隔舌附近的压力有所增加。

2.2 隔舌处绝对速度分布

图3（a）为出口角30°的叶轮流场分布图，从图中可以看出，流体在叶轮内的绝对速度是逐渐递增，在进口处速度较低，但流动比较均匀，速度梯度较小。叶轮出口处的速度达到最大值，且工作面的速度大于背面速度，但速度梯度较大，流动较不均匀。在流体流入蜗壳后，由于蜗壳是扩散结构，速度有逐渐降低。在隔舌部位，速度有一定的波动，有较大的梯度且出现回流现象。这是因为高速的流体受隔舌的阻碍而冲击此处，造成流体向压水室出口扩散，流动变得很不规则，因而出现回流现象［5］。

图3（b）、（c）、（d）为隔舌处速度场分布图，从图中叶轮速度场分布对比发现，不同出口角时的速度场分布一致。但不同出口角叶轮的隔舌处波动情况有较大的不同。对比发现，随着出口角的增大，隔舌处速度梯度越来越大。这是由于随着出口角的增大，叶轮出口处速度增加，且相邻叶片间的流道变短，导致在隔舌部位速度的扩散越严重，回流现象也越明显。而回流也会造成较大的水力损失。

图3 叶轮及隔舌处速度场分布

2.3 性能曲线

从图4 中的性能曲线对比可以看出，在其他叶轮几何参数相同的情况下，叶片出口角的改变对泵的水力特性影响十分明显。随着出口角的增大，蜗壳出口压力增加，离心泵扬程提高，但效率下降。这是由于叶片出口角增大时，叶轮流道出口处绝对速度的圆周分速度增大，其蜗壳出口压力增加，有利于泵扬程的提高。而随着出口角的增大，叶片间流道弯曲严重（可能出现S 形），流道变短，相邻叶片间流道的扩散角度变大，水力损失增加，从而导致效率降低。从功率流量曲线可以看出，离心泵的轴功率随着流量的增大而增大，表明在大流量工况下，所需的泵轴输出功率较大，能量损失也较严重。而随出口角的增大，泵轴功率也增加，这是由于出口角的增大使得泵扬程增加，加上能量损失也增加，从而消耗了更多的功率。

图4 离心泵的性能曲线对比

3 结论

（1）通过对离心泵的压力场的分析，说明离心泵内部流动中的压力分布比较均匀。压力最小值在叶片进口处，此处也最易发生汽蚀现象。

（2）通过离心泵的速度场的分析，说明流体在叶轮内的速度是逐渐递增，在叶轮出口处达到最大值，在隔舌处速度分布有较大的梯度，且出口安放角越大，速度梯度越大。

（3）叶片出口安放角增大使得叶轮出口速度圆周分速度增大，使泵扬程提高。但流道扩散严重，会增加泵的水力损失，降低效率，从而使得泵轴功率增加。

［1］何希杰.低比转速离心泵主要参数对性能综合影响和排序［J］.通用机械，2004（11）：63-65.

［2］谈明高，刘厚林，袁寿其，等.离心泵出口角对能量性能影响的CFD 研究［J］.中国农村水利水电，2008（11）：104-106.

［3］吴贤芳，谈明高，刘厚林，等.叶片出口角对离心泵性能曲线形状的影响［J］.农机化研究，2010（10）：166-169.

［4］杨敏官，顾海飞，刘栋，等.离心泵叶轮内部湍流流动的数值计算及试验［J］.机械工程学报，2006，42（12）：180-185.

［5］JAFARZADEH B，HAJARI A，ALISHAHI M M.The flow simulation of a low-specific-speed high-speed centrifugal pump［J］.Applied Mathematical Modelling，2011，35:242-249.

［6］关醒凡.现代泵理论与设计［M］.北京：中国宇航出版社，2011.