低比转数冲压焊接离心泵三维数值模拟_图文

1、年月农业机械学报第卷第期低比转数冲压焊接离心泵三维尝六，咖儿数值模拟黎义斌【摘要】邬国秀对一低比转数冲压焊接离心泵在带分流叶片以及不带分流叶片情况下的叶轮及蜗壳耦合场进行了数值模拟。计算采用雷诺时均方程和最一湍流模型，速度与压力耦合采用。算法。计算了设计工况、小流量工况及大流量工况下离心泵内部流场分布。增加分流叶片后，离心泵叶轮流道内的回流和二次流现象得到了有效控制。对比分析性能预测与试验结果的差异，在设计工况时离心泵性能预测的最大偏差为；非设计工况时性能预测的最大偏差为。关键词：分流叶片中图分类号：离心泵三维湍流数值模拟性能预测文献标识码：（工舰，“肥，丐主乒厂了弛三。冒，二缸晚“，麓，口口

2、歹竹伽，百砂，）口咒歹咒，竹）正一，一，引言低比转数离心泵冲压扭曲叶轮流道较狭窄，叶片为厚度的不锈钢薄板，且叶片表面光滑，叶片冲压及焊接成型工艺复杂。由于受到叶片厚度及排挤系数、叶轮内表面粗糙度及进出口流动条件的影响，冲压焊接离心泵内部流动不同于普通离心泵。在非设计工况下离心泵叶轮内部流动具有“射流一尾迹”结构，叶轮的主要损失为进口回流和出口的二次流损失以及叶轮的圆盘摩擦损失。随着计算流体动收稿日期：一力学和计算机技术的发展，国内外学割卜在离心泵内部流场数值模拟方面已经进行了大量的研究。本文采用程序分析两类不同叶片形式的离心泵内流场，并验证分流叶片对离心泵叶轮出口流场及性能的影响。研究对象选取

3、冲压焊接离心泵为研究对象，叶轮出口直径为，叶片数为，采用种不同的叶片布置形式（见图），叶轮采用个长叶片；叶轮采黎义斌兰州理工大学流体动力与控制学院讲师，兰州市邬国秀襄樊学院机械工程系副教授，湖北省襄樊市第期黎义斌等：低比转数冲压焊接离心泵三维湍流数值模拟用个长叶片和个分流叶片，分流叶片进口直径和长叶片直径比为。离心泵转速，的离心泵内部流动时，有较好的适应性叫。考虑到参考坐标系下旋转叶轮和静止蜗壳的相互作用，利用“冻结转子法”处理泵内三维湍流模拟。离心泵计算区域分为部分：进口管、叶轮、蜗壳和出口管。进口管和出口管采用结构化网格，网格总数分别为和；叶轮和蜗壳采用混合网格，叶轮网格数为，叶轮网格数为

4、设计流量，设计扬程。比转数为。，蜗壳网格数为。进口和出口边界条件分别按照速度进口和压力出口条件给定，壁面速度满足无滑移条件。近壁区雷诺数很低，湍流模型不再适用，采用标准壁面函数处理近壁流动。利用图计算碉格模型有限体积法离散控制方程，速度和压力耦合采用算法，实现速度与压力的耦合。当泵进出口边界的流量误差小于“，并且各个速度分量及尼、的计算误差都小于时，认为计算已经收敛。（）叶轮（）叶轮计算方法采用足一湍流模型封闭时均方程组，它的基本思想是将湍流看作受随机力驱动的输运过程，通过频谱分析方法消去其中小尺度的涡，并把其影响归并到涡粘性中，在层流底层，湍流粘性系数等于分子粘性，超出这个区域后，湍流粘性成

5、倍增加。大量的研究资料证明“，在高雷诺数情况下，采用忌一湍流求解有较大曲率和易脱流结果及分析流场静压分布流场静压差的大小直接影响着扬程的大小。从图、可以看出，从叶片进口到出口，叶轮流道的流体静压呈逐渐增大的趋势，在叶轮出口附近，由于受图不带分流叶片离心泵内静压分布（）小流量工况（）设计工况（）大流量工况图带分流叶片离心泵内静压分布（）小流量工况（）设计工况 （）大流量工况农业机械学报年到蜗壳隔舌的影响，当流体从叶轮流道内进入蜗壳时，由于高速旋转叶轮和静止蜗壳间的相互作用，叶轮出口和蜗壳螺旋段压力沿圆周分布呈明显的不对称性和周期性特点。在蜗壳第断面到出口管之间，静压分布呈逐渐增大的趋势，速度分布

6、逐渐变小。流体从隔舌进入弯管段时，静压在弯管的外侧较大，而在内侧相对较小，在弯管出口的一小段直管段内，静压分布比较均匀；蜗壳隔舌到第断面之间有一个低压区，随着工况的变化，低压区逐渐扩展到蜗壳流道；在大流量工况，蜗壳隔舌到第断面之间的静压分布没有明显的变化。叶轮和蜗壳交界面静压分布图中竖直虚线为蜗壳隔舌的位置，横坐标以第断面为起点位置，方向为逆时针方向。叶轮和蜗壳交界面圆周静压随流量的增大而增大，蜗壳周向不同位置静压对流量变化的敏感性不同，第断面到隔舌区域交界面静压随流量增大的程度越来越明显，隔舌到第断面区域交界面静压随流量的变化不明显。二：二。：”；叼愿是：囊嚣媳蝴瑟趔“”耘蟛戈“。现小的回流

7、区。分流叶片对离心泵性能的影响、。，、设计工况时静压沿交界面圆周分布比较均匀；而非设计工况时，偏离设计点工况越大，静压沿圆周分布偏离设计点工况时的静压分布越明显。最大静压和最小静压出现在第断面到隔舌区域之间。由于蜗壳隔舌对叶轮出口附近流场的影响，隔舌两侧静压值出现突变，沿逆时针方向从第断面到第断面静压逐渐增大。叶轮内相对速度分布从图可以看出，在小流量工况时，不带分流叶片叶轮流道内发生了严重的回流和二次流现象。叶轮进口回流区出现在叶片背面附近，出口回流区出现在叶片工作面附近。回流严重影响了叶轮流道内的速度分布特性，改变了叶轮流道内流量沿周向分布规律，叶轮的水力性能降低。如图所示，分流叶片有效控制

8、叶轮流道内回流区，叶轮回流区一般出现在蜗壳第断面之间，且只在叶轮局部出图对两类叶片形式性能预测值与试图分流叶片对泵扬程的影响图小流量时叶轮内部相对速度分布矿图分流叶片对泵轴功率的影响（）无分流叶片（）带分流叶片 第期奢黎义斌等：低比转数冲压焊接离心泵三维湍流数值模拟为。性能预测和试验结果对比表明，增加分流叶片后，冲压焊接离心泵的水力性能有明显的改善。结论（）对于两类叶片形式，由于蜗壳结构的不对称性，以及旋转叶轮和静止蜗壳间的相互作用，叶轮出口和蜗壳螺旋段压力沿圆周分布呈明显的不对称性和周期性特点。（）两类叶片形式相比，分流叶片能够改善叶轮内部漩涡和二次流动，通过进一步调整分流叶片的径向和周向位置，可以提高叶轮内部流场分布，控制回流和二次流动。比较性能预测与试验结果，非设计工况时离心泵性能预测和试验结果最大偏差为，这是“冻结转子法”在计算离心泵内部流场时，性能预测与试验结果出现偏差的主要原因。图分流叶片对泵效率的影响眦验结果进行了对比。带分流叶片离心泵关死点扬程提高了（），扬程曲线陡降，轴功率曲线出现最大值，完全满足了低比转数离心泵无过载特性。在设计工况时离心泵性能预测与试验值的最大偏差为，非设计工况时数值预测与试验值存在最大偏差参考文献张剑慈，朱祖超，崔宝玲开式叶轮高速离心泵叶形对泵内流场的