田辉，房媛，王文成，邹克武

(1．承德石油高等专科学校机械工程系，河北承德067000; 2．承德石油高等专科学校学生处，河北承德067000)

离心泵内变工况流动特性的数值研究

田辉1，房媛2，王文成1，邹克武1

(1．承德石油高等专科学校机械工程系，河北承德067000; 2．承德石油高等专科学校学生处，河北承德067000)

通过Fluent软件对某单级单吸涡壳离心泵内流动进行了变工况定常数值模拟，数值模拟值与实验值吻合良好。在此基础上分析流道内相对速度分布及总压分布情况。并探讨了轴向涡随流量的变化特征及叶轮与涡舌相对位置变化对流动的影响。数值模拟结果显示，随着流量的增加流道出口相对速度增加，总压降低，流道内轴向涡有所减小。靠近涡舌流道的流量较大，而远离涡舌的则较小。这种流动状态沿叶轮周向分布不均匀现象是普遍存在的，且在非设计工况下表现得更明显。

变工况;数值模拟;涡舌;Fluent

一般认为离心泵内部的流动是一种全三维的湍流流动。由于叶轮旋转、叶轮自身曲率的剧烈变化及液体的粘性综合作用，泵内流场普遍存在流动分离、二次流现象［1］;加之涡壳几何的不对称性及叶轮与涡壳的动静干涉作用使得叶轮出口呈现“射流/尾迹”结构，流场速度，压力脉动明显，流动表现出明显的非定常特性［2］。然而在实际应用中离心泵经常被迫工作在非设计工况状态下，泵内流动进一步恶化，流动分离、脉动加剧。这样不但会引起效率下降，还将导致震动和噪声，严重影响系统的使用寿命［3-6］。目前理论分析和试验测量还很难得到泵内具体的流动细节，通过数值模拟的方法来研究变工况下离心泵内的流动特性就显得尤为重要了。本文应用Fluent软件对离心泵进行了变工况定常数值模拟，通过对0．80QD、QD(设计流量)、1．20QD等三个不同工况数值模拟结果的分析得出离心泵内不同工况下流动的一般规律。

1　离心泵的几何结构及运行参数

本文采用某单级单吸涡壳离心泵作为计算模型，其主要的结构及运行参数如图1所示。叶轮由7片后弯叶轮组成，叶片出口安放角为26°，吸入口直径140 mm，设计流量为59 kg/s。

2　数值计算方法

2．1控制方程及湍流模型

离心泵内的液体的流动属于三维粘性不可压缩流动，任意曲线坐标系下Navier-Stokes方程可简化为:

式中:ui为泵内流动速度、p为静压、ν为流体动力粘性系数、ρ为流体密度反应哥氏力及离心力的影响。引入雷诺平均，Boussinesq假设，标准k－ε湍流模型后，控制方程转化为:

2．2计算网格

针对扭曲型叶片曲率变化大的特点，采用三角形网格对叶轮表面进行了局部加密，使得网格贴体性更好;计算区域内部采用四面体网格。计算区域由入口延伸段、叶轮、涡壳三部分组成，网格数分别为24 408、280 932、168 345。图2为计算区域网格示意图。

2．3计算设置

泵的入口给定质量流量，方向垂直于入口截面。入口延伸段的设置使入口条件均匀传递到泵流场内部，有利于加速收敛。出口给定静压。固体壁面采用无滑移边界条件。计算过程采用多重参考坐标系(Multiple Reference Frame)技术分别处理旋转的叶轮部分及静止的入口延伸段和涡壳部分数据交换。SIMPLEC算法求解流场。

3　计算结果及分析

数值模拟结果显示模拟值与实验值趋势吻合良好，效率的最大偏差小于3%，扬程最大偏差小于3．5 m，详细对比参见参考文献［5］，从而可以验证本文所采用数值方法的正确性。

3．1流道内相对速度分布特性

图3给出了三个不同工况下离心泵中叶展处相对速度的分布及流线分布情况。图中可见叶轮流道内相对速度总体上呈现出由压力面向吸力面逐渐增大的趋势，但不同流道内相对速度分布差异明显。靠近蜗壳出口的流道压力面附近的低速区较小。

图4给出了三个不同工况下流道(以图1所示流道6为例)内相对速度等值线图。由图4可见三个工况流道内的流动趋势极其相似。叶轮的排挤作用均匀的施加在靠近压力面的液体上，流道内相对速度呈现出由压力面向吸力面逐渐增加的趋势。在入口附近由于叶片的排挤作用对液体影响较小，相对速度自流道中线区域向压力面吸力面逐渐减小。在0．8 QD和QD工况叶片压力面侧有较明显的轴向涡存在，但随着流量的增加轴向涡有减小的趋势。在1．2 QD时轴向涡已经不明显了。图中还可以看出随着流量的增加，叶轮出口相对速度也有所增加。

3．2流道内总压分布特性

图5所示为流道6(以图1所示流道6为例)压力分布等值线图。计算过程取叶轮入口处为参考压力点，参考压力设为101 325 Pa。流道内总压从入口到出口逐渐增大，在压力面尾缘达到最大值，随着流量的增加出口总压逐渐减小。小流量的工况下，由于轴向涡在吸力面侧的流速与主流速度方向相同对吸力面侧液体起一定的加速作用，所以导致流道内同半径处吸力面侧总压略高的现象。随着流量的增加这种流道内同半径处总压分步不均匀现象逐渐减小。前面已经讨论过，随着流量的增加轴向涡有逐渐减小的趋势，图中设计流量和大流量流道内由入口向出口随着半径的增大吸力面侧、压力面侧总压均匀增加，亦证实了流量的增加有减小轴向涡的作用。

4　结论

本文采用Fluent商用软件对某单级单吸涡壳离心泵进行了变工况数值模拟，发现:1)随着流量的增加流道出口相对速度增加，总压减小，流道内轴向涡减小;2)流道入口附近液体相对速度最大值出现在中线区域，流道内相对速度从压力面到吸力面逐渐增大;3)沿叶轮旋转方向越靠近涡舌的流道其流量越高，越远离涡舌的叶片其载荷越大。

［1］Hong Wang Hiroshi Tsukamoto，Experimental and Numerical Study of Unsteady Flow in a Diffuser Pump at Off-Design Conditions［J］．ASME J．of Fluids Engineering，2003，125:767－778．

［2］Dong RR．The Effect of Volute Geometry on the Flow Structure，Pressure Fluctuation and Noise in a Centrifugal Pump［M］．The Johns Hopkins University，1994．

［3］Pedersen N，L arsen P S．Flow in a Centrifugal Pump Impeller at Design and Off-Design Conditions—PartⅠ:Particle Image Velocimetry(PIV)and Laser Doppler Velocimetry(LDV)Measurements［J］．ASME J．of Fluids Engineering，2003，125:61－72．

［4］Byskov RK，Jacobsen CB．Flow in a Centrifugal Pump Impeller at Design and Off-Design conditions—partⅡ:Large Eddy Simulations［J］．ASME J．of Fluids Engineering．2003，125:73－83．

［5］田辉．离心泵内部数值计算及叶片型线优化设计［D］．西安:西安交通大学学位论文，2008．

［6］王玉召．申林艳．离心式风机变速运行性能数学模型［J］．承德石油高等专科学校学报，2013，15(4):30－33．

Numerical Simulation of Non-Uniform Flow in Centrifugal Pump at Design and Off-Design Conditions

TIAN Hui1，FANG Yuan2，WANG Wen-cheng1，ZOU Ke-wu1
(1．Department of Mechanical Engineering，Chengde Petroleum College，Chengde 067000，Hebei，China; 2．Department of Student Affairs，Chengde Petroleum College，Chengde 067000，Hebei，China)

This paper shows the capability of a numerical simulation with the commercial software FLUENT in capturing the characteristics in a Centrifugal Pump at both design and off-design conditions．The numerical results are compared with the experimental results and show a good agreement．Based on the correct numerical results，detailed analysis was applied to the distribution of relative velocity and total pressure in one of the centrifugal impeller channels．Furthermore，with the increasing of relative velocity，the total pressure and axial vortex of a channel near the vortex tongue is much bigger than the others．And the non-uniform distribution of flow characteristics along the circumferential direction is common in the off-design conditions．

design and off-design conditions;numerical simulation;tongue;Fluent

TH311

A

1008-9446(2015)02-0028-04

2014-12-12

田辉(1981－)，男，河北承德人，承德石油高等专科学校机械工程系教师，博士，主要从事叶轮机械内部流场数值分析及气液两相流数值方法研究。