梁月娟
阳江市新力工业有限公司，广东 阳江 529500
1 计算模型的建立
1.1 模拟模型的建立与网格划分
利用三维建模软件Pro-E建立模拟所用的叶轮模型和泵外壳模型，如图1所示。叶轮的叶片数为7，设计为后弯叶片式，导叶的叶片数为10，设计为径向式结构。利用FLUENT的前处理软件Gambit对模型进行网格的划分，划分后的模型网格如图2所示。
图1 叶轮和泵体物理模型
图2 模型网格示意图
1.2 求解器设置
选取FLUENT软件中的3D模型求解。在MODELSOLVER中选取Pressure-Based求解，采用标准的k-ε湍流模型，各值保持默认设置。为使计算加快收敛，在SOLVECONTROLS中，采用SIMPLEC算法来计算压力-速度耦合（Pressure-Velocity Coupling）。在差分离散方法中，压力方程选用标准格式（Standard）。为使单位表面计算值有二阶精度，采用二阶迎风格式（Second Order Upwind）计算动量方程、湍动能方程与耗散率输运方程。在迭代计算的过程中，打开残差监视器，通过残差监视器判断计算是否收敛。各项的收敛标准设为0.001。
1.3 边界条件的设置
计算中采用了多重参考系，叶轮为移动参考系，其余为绝对参考系。
对于本计算模型，共需设置三个边界条件，分别是进口边界，出口边界和壁面边界。
进口边界设置:根据泵使用的一般情况，把进口边界设置为质量入口边界（Mass-Flow-inlet）。由实际的工况决定表中的质量流速和质量流量，总温，压力和流动方向等具体数值。湍流计算选取水力直径和湍流强度，其数值大小根据理论计算给出。
出口边界设置:因不知道出口的速度和压力，因此出口边界设置为自由出流边界条件（Outflow），保证流动是完全发展的。
壁面边界条件:壁面边界设置为无滑移的固壁条件（Wall）。
1.4 泵工况与流体性质参数
泵的工况及流体性质参数如表1所示，流体为清水。
表1 泵工况及流体性质参数表
2 模拟计算的结果与分析
2.1 压力计算结果及分析
图3 叶轮压力分布图
图3为模拟计算后，叶轮处的压力分布图。由图中可看出，在流动方向上，叶轮内的压力是逐渐增加的。压力最大值出现在泵体内的周围附近，压力在导叶后的区域数值略有下降。由此分析，在流动方向上，叶轮内的压力的增加，这是由于叶轮以旋转的方式做功。在泵体内，流体的能量变化由动能变为势能，出现最大压力值。在导叶后，流体因水力损失，导致压力值有所下降。
2.2 流场模拟分布
图4为模拟计算后，叶轮处的流场分布图。从图中可以看出在叶轮处流体的三维空间速度大小分布和流向趋势。由图中可看出，叶轮的绝对速度最大为16.7m/s。在叶轮出口附近，靠近叶片吸力面和叶轮前盘附近，特别是在这两个面的交汇处附近，流体的相对速度比较低，形成尾迹区。在压力面附近的流体的相对速度比较高，形成了射流区，出现射流-尾迹结构。同时，由于导叶叶头处的干扰，叶轮的出流在该处出现了与叶轮运动方向相反的逆流。在导叶内，流体的速度在凸面略高于凹面。
图4 叶轮的流场分布图
3 性能预测与实验验证
对于离心泵，其扬程，泵级轴功率，泵效率可用下列公式计算。
泵扬程计算公式[1]:
式中:Pout为流体在出口处单位面积上的平均总压力，Pa；
Pin为流体在入口处单位面积上的平均总压力，Pa；
ρ为流体密度，kg/m3；
g为重力加速度，m/s2。
泵级轴功率计算公式[2]:
式中:M为作用在叶轮上的转轴的力矩，N·m；
n为泵的转速，rpm。
泵效率计算公式[1]:
式中，Q为泵的体积流量，m3/s。
根据有关文献[3]，在计算扬程和效率时，容积效率ηV取0.96，圆盘摩擦效率ηm取0.96。
根据上述公式，结合模拟数值，得出泵的流量-扬程，流量-轴功率和流量-效率预测曲线。同时，为把模拟计算得到的预测结果与实际的实验结果作对比，在阳江市新力工业有限公司的水泵测试站对离心泵的性能进行实际测试，得到实际测试的性能曲线。
图5，图6，图7为模拟数值计算结果与实际测试结果的对比。
图5 流量-扬程曲线图
图6 流量-轴功率曲线图
图7 流量-效率曲线图
从以上图可见，模拟预测值和实际测量值吻合十分好。模拟预测值能比较准确地反应泵的实际工作状况。
4 结论
1）使用FLUENT模拟软件能有效地描述离心泵叶轮的工作状况；
2）通过模拟计算预测曲线和实际测试数值十分吻合，说明在泵设计的参数优化过程中，模拟计算软件能起到很好的辅助作用。
[1]王秀勇，王灿星.基于数值模拟的离心泵性能预测[J].流体机械，2007，35(10):9-13.
[2]张淑佳，朱保林，林锋，等.基于仿真分析的离心泵特性曲线计算[J].中国机械工程，2006(8):46-48.
[3]关醒凡.泵的理论与设计[M].北京:机械工业出版社，1987.
