有无分流叶片低比速离心泵性能对比分析

1、王洋，蒋其松, 傅剑辉（江苏大学流体机械工程技术中心镇江 212013）摘要：采用FLUENT对不带分流叶片和添加分流叶片的低比速离心泵的三维流道模型进行数值模拟，计算采用雷诺时均方程和标准k湍流模型，应用SIMPLE算法。对速度、压力云图以及性能曲线进行对比分析，结果表明分流叶片可以冲刷尾流，有效抑制液体的脱流，更好的控制液体的流动，减少叶轮内的水力损失，提高离心泵性能。关键词：开式叶轮；离心泵；数值模拟；湍流模型；空化性能；中图分类号：TH311 文献标识码：A低比速离心泵是应用极其广泛的通用机械，一般是指ns=3080的离心泵，具有流量小、扬程高的特点，广泛应用于农业排灌、城市供水、锅炉

2、给水、矿山、石油和化工等领域1。近年来，运用CFD数值计算求解离心泵内流场已成为水力设计计算的有力工具。文献2-3对叶轮机械流动进行有限元分析，文献4对离心泵叶轮在工况点和非工况点进行湍流流动模拟，文献5对扩散管内的湍流流动进行预测,文献6对带分流叶片的离心泵叶轮进行数值模拟。本文采用FLUENT软件，以普通3叶片和添加3个偏置分流叶片的低比速离心泵为研究对象，对0.3Q-1.4Q的12工况点进行数值模拟，并对计算结果进行对比分析，旨在揭示其内部流动的规律，为其优化设计提供基础信息。1控制方程质量守恒和动量守恒定律是描述水力机械内部流体运动的基本规律。设叶轮的转速是恒定的。选用与叶轮主轴一起旋

3、转的非惯性坐标系来描述相对运动，叶轮内部的相对运动可以认为是定常的。根据雷诺理论，可得此时的湍流平均动量雷诺方程，其与连续性方程一起可写成下列形式（1）式中：p为导引压力，包括进水压和离心力，为科氏力，。采用标准模型，其方程组为7（2）其中,2数值模拟2.1网格生成用PRO/E生成离心泵流道模型如图1（离心泵参数为：qv=12.5m3/h，扬程H=32m，转速n=2900r/min， =160mm，=6mm，）。采用GAMBIT软件进行网格划分，生成的网格图形如图2所示；并检查网格质量，经检查，网格的等角斜率和等尺斜率都小于0.85，网格质量良好。2.2求解器及方程离散格式的选取基金项目：国家

4、863计划项目（项目编号：2006AA100211）资助项目作者简介：王洋 （1955），男，河北定州人，研究员，pgwy）通讯作者：蒋其松（1984-），男，江苏淮安人，硕士研究生，jqs213.good选用分离式求解器，假定流动定常。湍流模型选取标准k模型，近壁面采用标准壁面函数。压力和速度的耦合采用SIMPLE算法。压力方程的离散采用标准格式，动量方程、湍动能与耗散率输运方程的离散均采用二阶迎风格式。在迭代计算的过程中，通过监测管路出口单位面积平均总压力的变化情况来判断计算是否收敛，松弛系数需要根据收敛情况做适当的调整。（a）不带分流叶片（b）带分流叶片图1 有、无分流叶片流道图Fig.

5、1 Channel of pumps with or without splitting vanes（a）不带分流叶片(b)带分流叶片图2 有、无分流叶片流道网格图Fig.2 The grid of channel of pumps with or without splitting vanes2.3边界条件进口条件：假定进口速度在轴向均匀分布，具体数值由流量与进口面积比值给定。进口湍动能和湍流耗散率由下式给定：，式中：=0.09，为叶轮进口直径。出口条件：计算前出口压力未知，采用自由出口边界条件。固壁条件：在固壁处采用无滑移边界条件，在近壁区采用标准壁面函数。3计算结果及分析比较对有、无分流

6、叶片离心泵均选择12个流量工况点进行数值计算，通过比较计算结果可以得出以下几点结论： （1）叶轮进口到出口的速度逐渐增大，进口的速度梯度小，出口的速度梯度大，蜗壳中的流速比较均匀，在扩散管中，速度逐渐降低，如图3所示为中截面速度云图。带有分流叶片叶轮出口速度高，增加了叶轮出口的动扬程，经过蜗壳转化为压能，从而蜗壳的出口压力较高，其利用率得到提高，如图4所示为中截面压力云图。（a）不带分流叶片(b)带分流叶片图3 有、无分流叶片速度分布云图Fig.3 The velocity of pumps with or without splitting vanes(a)不带分流叶片(b)带分流叶片图4

7、有、无分流叶片静压图Fig.4 Static pressure of pumps with or without splitting vanes（a）（b）图5 有、无分流叶片性能曲线Fig.5 Performance curves of pumps with or without splitting vanes（2）添加偏置分流叶片后泵的扬程得到很大提高，扬程曲线更平坦，可以获得更稳定的水力性能，避免或减少产生驼峰，其曲线如图5(a)所示；添加偏置分流叶片后最高效率点向大流量偏移，且高效区变宽，如图5（b）所示。（3）添加偏置分流叶片可改善叶轮内的速度分布，速度分布更均匀合理，如图6所示为中

8、截面相对速度云图，表明分流叶片可以改善叶片对液体的导流，更好的控制液体的流动，减小叶轮内的水力损失，提高泵的性能。（a）不带分流叶片(b)带分流叶片图6 有、无分流叶片速度云图Fig.6 Velocity of pumps with or without splitting vanes（4）短叶片可以有效防止尾流的产生和发展。在扩散型的离心叶轮内，在离心力和哥氏力的作用下产生二次流，是叶片压力面边界层内的低能流体经叶轮盖板边界层流入叶片负压面边界层，聚集在负压面内形成尾流。长短叶片组成的流道很短，扩散较小，不易产生二次流和尾流区，如图7所示,此图为有、无分流叶片在0.6Q时同一处速度矢量图，带

9、有分流叶片的二次流得到明显改善，表明分流叶片能更好的控制液体的流动。二次流（a）不带分流叶片（b）带分流叶片图7 有、无分流叶片速度矢量图Fig.7 Velocity vector of pumps with or without splitting vanes（5）分流叶片能起到冲刷尾流的作用。在尾流区组成的长短叶片流道起到分流作用，小流道内流速增加，在一定程度上冲刷尾流。（6）叶轮进口达到短叶片进口前叶片正面相对速度不断减小，这会引起叶片上液体的分离和脱流。在短叶片的排挤作用下，能起到一定的抑制作用，更好地控制流体运动。这正是添加分流叶片提高离心泵性能的原因。4实验验证由于没有考虑前后腔造

10、成的圆盘摩擦损失，计算的结果比实验的结果较大。对有偏置分流叶片的计算结果与实验值进行比较，实验结果与计算结果相符合，性能曲线如图8所示。因此数值模拟可以为泵的设计提供可靠依据。(a)(b)图8带分流叶片实验值与计算数值性能曲线Fig .8 Performance curves of pumps with splitting vanes 5 结论采用工程上广泛应用的k标准模型，分别对有、无分流叶片低比速离心泵在0.3Q1.4Q工况下的12个工况点进行计算，并对计算结果进行比较研究，结果证实了：在分流叶片的排挤作用下有效抑制液体的脱流；在尾流区组成的长短叶片流道起到分流作用，小流道内流速增加，在一

11、定程度上冲刷尾流；长短叶片组成的流道扩散小，不易产生二次流。分流叶片改善叶片对液体的导流，更好的控制液体的流动，速度分布更为均匀合理，提高离心泵的扬程和效率。本文的研究为分流叶片在离心泵的优化设计中的应用提供基础信息。参考文献1 袁寿其.低比速离心泵理论与设计.机械工业出版社M2007.2 Lakshminarayana B.An assessment of computational fluid dynamics techniques in the analysis and design of turbomachinery. Trans.ASME,J.Fluid Eng,1991(Sept.

12、):3153503 K.S.Chen,M.C.Sue. Finite element analysis of three-dimensional potential flow in the blade passage of a centrifugal turbomachine. Computers&Structures, Volume 46,19934 Wu Y L,Dai J. Turbulence flow simulation through centrifugal pump impeller at design and off-design conditionsCThe 2nd

13、 Inter. Conf. Pumps Fans, Beijing, 1995:155167. 5 Gianluca Iaccarino. Prediction of the turbulent flow in a diffuser with commercial CFD codes.Annual Research Briefs 2000.6 何有世,袁寿其,郭晓梅等. 带分流叶片的离心泵叶轮内三维不可压湍流场的数值模拟.机械工程学报,2004.117 陈懋章.粘性流体动力学基础.高等教育出版社，2002. 8 王福军.计算流体动力学分析CFD软件原理与应用.清华大学出版社，2004.Comp

14、arative analysis of 1ow specific speed centrifugal pumps with or without splitting vanesWang Yang, Jiang Qisong(Technical and ResearchCenter of Fluid Machinery Engineering, JiangsuUniversity, Zhenjiang, Jiangsu 212013, China)Abstract 3-D models of 1ow specific speed centrifugal pumps with or without

15、 splitting vanes was simulated using FLUENT software. By adopting time-averaged N-S equations and the standard k- turbulent model, the calculation was carried on the basis of SIMPLE algorithm. By contrasting the chart of velocity and pressure, the performance curves of HQ and Q, splitting vanes could erode wake flow and control the flow separation, the moving of th