劉國輝，閆曉偉

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雙吸泵的多相位定常三維數(shù)值模擬

劉國輝，閆曉偉

（92060 部隊(duì)，遼寧大連 116041）

采用ANSYS CFX軟件，以雷諾時(shí)均（RANS）方程和剪切應(yīng)力輸運(yùn)(Shear Stress Transport，SST)湍流模型為基礎(chǔ)，對(duì)雙吸泵設(shè)計(jì)工況進(jìn)行了多相位定常三維數(shù)值計(jì)算。模擬結(jié)果揭示了泵揚(yáng)程隨葉輪與蝸殼相對(duì)位置的變化規(guī)律，其平均值與試驗(yàn)值較接近。獲取了葉輪通道的流場(chǎng)分布、蝸殼進(jìn)口截面上壓力和速度分布規(guī)律及蝸殼特征斷面上漩渦結(jié)構(gòu)演化特征。結(jié)果表明，多相位定常流動(dòng)數(shù)值模擬在節(jié)省大量計(jì)算資源的前提下可反映出泵內(nèi)流場(chǎng)的非定常流動(dòng)特性。

雙吸泵 葉輪 蝸殼 CFD 多相位 數(shù)值模擬

0 引言

由于對(duì)泵內(nèi)物理量的測(cè)量和流動(dòng)現(xiàn)象的觀察極不方便，又由于近年來計(jì)算機(jī)性能的提高和計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)的發(fā)展，采用用數(shù)值計(jì)算的方法直接研究雙吸泵內(nèi)部三維粘性流動(dòng)已成為行業(yè)熱點(diǎn)[1-4]。定常計(jì)算可節(jié)省大量計(jì)算資源，相對(duì)非定常計(jì)算更易于引入工程實(shí)際。

葉片與蝸殼相對(duì)位置會(huì)對(duì)泵內(nèi)壓力與速度流場(chǎng)的分布產(chǎn)生影響[5-8]。為了使計(jì)算結(jié)果更合理，本文采用計(jì)算軟件ANSYS CFX，選用剪切應(yīng)力輸運(yùn)（Shear Stress Transport，SST）模式封閉雷諾時(shí)均方程（RANS)方程，對(duì)雙吸泵設(shè)計(jì)工況進(jìn)行多相位定常三維湍流數(shù)值模擬，研究了由于葉輪與蝸殼相對(duì)位置不同而引起的泵性能和流場(chǎng)特性的變化規(guī)律。

1 控制方程和計(jì)算模型

1.1 控制方程

求解雙吸泵內(nèi)三維湍流流動(dòng)的控制方程為:

下式中：fi為體積力，p為作用在流體上的壓力，r為海水密度，m為海水的分子粘性系數(shù)，為湍流動(dòng)力粘性系數(shù)。

選擇剪切應(yīng)力輸運(yùn)模式兩方程湍流模型封閉RANS方程，該模型在邊界層邊緣和自由剪切層采用模式，在近壁面區(qū)域使用模型中的低雷諾數(shù)公式，兩者之間通過混合函數(shù)來過渡。已經(jīng)證明該模式在湍流粘性底層比具有更好的數(shù)值穩(wěn)定性，且在擬壓梯度較強(qiáng)的對(duì)數(shù)律層能較好地模擬邊界層的流動(dòng)特性。

1.2 計(jì)算區(qū)域和網(wǎng)格劃分

采用SolidWorks軟件對(duì)雙吸泵其進(jìn)行幾何建模，如圖1。由于雙吸泵葉片扭曲較大且蝸殼形狀復(fù)雜，建模時(shí)采用了分塊建模中間通過交界面連接的方法。對(duì)吸水室進(jìn)口和蝸殼出口都做了一定的延伸，使得流動(dòng)更接近于充分發(fā)展以增加計(jì)算的穩(wěn)定性。

采用了適應(yīng)性較強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格對(duì)各部件進(jìn)行空間離散，如圖2。為準(zhǔn)確模擬壁面邊界層內(nèi)流動(dòng)壁面附近采用15層貼體邊界層網(wǎng)格，第一層網(wǎng)格厚度0.05 mm，網(wǎng)格增長率1.2。在葉片和隔舌等流動(dòng)變化劇烈區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格加密，提高了網(wǎng)格的貼體性。經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性檢查，最后確定網(wǎng)格方案如表1。

1.3 計(jì)算方案和邊界條件

相位角指葉輪相對(duì)蝸殼轉(zhuǎn)過的角度，如圖3。首先在0°位置進(jìn)行一次定常流動(dòng)計(jì)算；然后將葉輪網(wǎng)格繞旋轉(zhuǎn)軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)過一定角度，進(jìn)行第二個(gè)位置的定常流動(dòng)計(jì)算，其余位置以此類推，本文采用的角度間隔為10°。采用了基于有限元的有限體積法對(duì)控制方程組進(jìn)行離散，這種方法同時(shí)具有了體積法的守恒特性以及有限元法的數(shù)值精確性。代數(shù)方程求解時(shí)采用了亞松弛迭代方法，收斂精度為1×10-4。

邊界條件為：葉輪域設(shè)在運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系，葉輪轉(zhuǎn)速為設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，其余域設(shè)在固定坐標(biāo)系；進(jìn)口邊界給定流量進(jìn)口；出口邊界設(shè)為壓力出口，出口相對(duì)靜壓設(shè)為0 Pa；葉輪前后蓋板和葉片表面，速度無滑移，相對(duì)靜止；其它壁面為絕對(duì)靜止壁面。采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)計(jì)算固壁附近流動(dòng)，旋轉(zhuǎn)區(qū)域與靜止區(qū)域的交界面選取轉(zhuǎn)子凍結(jié)模式。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 揚(yáng)程

由圖4可得，揚(yáng)程隨相位角變化很大，波動(dòng)幅度占平均揚(yáng)程的11.0%，多相位定常流動(dòng)數(shù)值模擬反映出了雙吸泵內(nèi)非定常流動(dòng)特性。各相位角計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值相比，最大誤差-15.2%，最小誤差-5.1%。由于開始不能精確判斷相位角的合理位置，單相位計(jì)算不能準(zhǔn)確預(yù)報(bào)雙吸泵的揚(yáng)程特性；各相位角計(jì)算結(jié)果的平均值與試驗(yàn)相比誤差為-8.56%，較好的預(yù)測(cè)雙吸泵的宏觀外特性。

2.2 葉輪軸向特征截面流場(chǎng)分布

由于雙吸葉輪具有對(duì)稱性，選擇截面1和截面2來分析，其中截面1為雙吸葉輪的對(duì)稱面，見圖5。

圖6清晰的顯示了葉片附著渦的的生成、演化和脫落整個(gè)過程。一個(gè)周期內(nèi)只有一個(gè)葉片有附著渦，這是由于其附近流體繞流吸水室鼻端所致，此時(shí)其它葉片附近流場(chǎng)良好。相位角為80°和100°時(shí)，由于葉片3接近隔舌，部分水流繞過隔舌流入出流管，另一部分水流則繼續(xù)隨葉片旋轉(zhuǎn)進(jìn)入蝸殼，此處流動(dòng)劇烈產(chǎn)生了較明顯的流動(dòng)分離。

2.3 蝸殼進(jìn)口流場(chǎng)特性

由圖7可見，蝸殼進(jìn)口靜壓脈動(dòng)呈不均勻分布，葉輪與蝸殼之間的動(dòng)靜干擾現(xiàn)象明顯。當(dāng)葉片接近蝸殼隔舌時(shí)，隔舌部位存在強(qiáng)烈的壓力突變，這些脈動(dòng)將會(huì)引起泵體的振動(dòng)并產(chǎn)生水壓噪聲。蝸殼進(jìn)口靜壓自隔舌開始到擴(kuò)散管基本是均勻變化的，波動(dòng)頻率與葉片數(shù)一致。隨葉輪與蝸殼相對(duì)位置的變化，葉片尾跡會(huì)造成蝸殼進(jìn)口靜壓波動(dòng)的峰值和谷值相位位置也發(fā)生相應(yīng)變化。由于截面1接近雙吸葉片的匯合處，波動(dòng)特性較截面2更復(fù)雜。

圖8和圖9表示蝸殼進(jìn)口徑向速度分量和切向速度分量沿葉輪出口周向的分布，蝸殼進(jìn)口沿周向的水流流動(dòng)呈明顯的不均勻性和三維紊流特性，且周期波動(dòng)特性十分強(qiáng)烈，這必然是轉(zhuǎn)動(dòng)的葉輪和蝸殼水流流動(dòng)相互干涉所致。

蝸殼進(jìn)口徑向速度分量沿周向分布的波動(dòng)特性十分明顯，波動(dòng)的均值基本為一直線，表明葉輪出流比較均勻，且波動(dòng)的頻率和葉輪葉片的個(gè)數(shù)是一致的。由于存在渦旋流現(xiàn)象，切向速度分量沿周向分布大大減弱了，在隔舌位置處可以明顯看到隔舌對(duì)葉輪出流十分劇烈的影響。隨葉輪相位角的不同，徑向速度分量和切向速度分量波動(dòng)的峰值也呈變相位特性。

2.4 蝸殼特征截面流場(chǎng)分布

圖9表示蝸殼在0°、90°、180°和270°四個(gè)特征截面的二次流分布，可見：蝸殼流道內(nèi)的水流流動(dòng)是一種十分不穩(wěn)定的漩渦流，不同相位角時(shí)在蝸殼360°周向范圍內(nèi)的不同徑向截面上的基本上都存在二次流流動(dòng)現(xiàn)象。蝸殼內(nèi)的流體不但沿主流方向做圓周運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還存在著與主流方向垂直的二次流動(dòng)，二次流應(yīng)該是蝸殼內(nèi)部流動(dòng)水力損失的主要原因。流體由葉輪出口高速旋轉(zhuǎn)進(jìn)入蝸殼后，在環(huán)向0°截面和90°截面存在兩個(gè)比較對(duì)稱的漩渦，但隨相位角的變化，漩渦的中心位置和強(qiáng)度都發(fā)生了明顯變化。180°截面流動(dòng)演化更加復(fù)雜，在100°、0°、20°時(shí)呈雙渦旋形式，40°、60°時(shí)，呈單渦旋形式且渦旋中心位置不同，而80°,時(shí)該截面流動(dòng)扭曲更加嚴(yán)重。不同相位角時(shí)270°截面流動(dòng)也呈現(xiàn)單渦旋和雙渦旋的更替過程，但強(qiáng)度有所減弱。這是因?yàn)槎瘟鞯男纬墒怯呻x心力引起的壓力梯度和蝸殼邊界共同作用的結(jié)果，而該截面葉輪出口與蝸殼內(nèi)壁的距離較大。

3 結(jié)論

本文分析了雙吸泵多相位定常的計(jì)算結(jié)果，研究了雙吸泵內(nèi)部流場(chǎng)特征。結(jié)論如下：

（1）單相位計(jì)算不具有全局代表性，不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)雙吸泵性能。與非定常計(jì)算相比，多相位定常計(jì)算節(jié)省了大量計(jì)算資源，清晰有效地反映了泵內(nèi)非定常流動(dòng)狀況，其計(jì)算揚(yáng)程取均值可較好預(yù)測(cè)雙吸泵外特性。多相位定常計(jì)算易于引入工程實(shí)際，便于為葉輪水力設(shè)計(jì)和葉型優(yōu)化提供有利參考。

（2）在蝸殼的作用下各葉輪通道的水流流動(dòng)情況隨它在蝸殼中相對(duì)位置的不同而不同，具有明顯的不對(duì)稱性。幾乎整個(gè)蝸殼內(nèi)的流動(dòng)都是以旋渦形式向蝸殼出口推進(jìn)的，并隨著包角的變化旋渦表現(xiàn)出十分復(fù)雜的產(chǎn)生、發(fā)展、演化和耗散的周期過程。

（3）葉輪與蝸殼的動(dòng)靜干涉作用引起了雙吸泵內(nèi)部非定常流動(dòng)現(xiàn)象。在葉輪旋轉(zhuǎn)過程中，蝸殼進(jìn)口速度和壓力沿周向分布呈明顯的周期波動(dòng)特性。特別是隔舌附近的非定常壓力和速度的脈動(dòng)值最大，表明葉輪與蝸舌間的相互干擾最為強(qiáng)烈。

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3-D Numerical Simulation of Double-suction Pump with Steady Multi-phase Position

Liu Guohui, Yan Xiaowei

（Unit 92060, Dalian 116041, Liaoning, China）

TH311

A

1003-4862（2013）01-0011-04

2012-04-16

劉國輝（1973-），男，講師。研究方向：機(jī)電管理。