三副长短叶片离心泵的三维湍流数值模拟研究

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由于采用长短叶片相间设计的复合式叶轮能够避免叶片进口排挤、有效阻止涡流及脱流的产生和发展及改善叶轮流道的扩散状况，使其具有流量孝扬程高、高效、小流量稳定等性能指标，同时具有结构紧凑、维修方便等特点。目前，具有长短叶片的复合式叶轮已广泛应用于石化及航空航天等领域。长短叶片复合叶轮设计理念是以改善叶轮内部流惩压力场为出发点，通过在长叶片间设置短叶片冲刷尾流，有效地防止尾流的产生和发展，增大了有限叶片修正系数，从而增加泵扬程、减小叶轮外径，可有效地改善叶轮内部流速分布，提高泵性能，按此设计理念设计的低比速离心泵在实际工程中已得到-定应用J 。

国内外有关长短叶片离心泵设计研究己取得-些有价值的成果[2-8]，从内流场方面探求复合叶轮优化设计方法已成为-种趋势。本文将基于整泵的三维湍流数值模拟，研究三种不同短叶片设置方案的离心泵内流惩外特性，并进行对比分析，研究结果对长短叶片离心泵的优化设计具有-定的参考价值。

1 模型的建立1.1 模型泵参数本文数值模拟计算所采用的复合叶轮的叶片骨线线型均为单圆弧(如图 1所示)。叶轮的主要几何参数：D75 mm，D2180 mm，b12 mm，b29 mm，do40 nlrn，Do65 mm，fl125，，8233，Z10。蜗壳的型线采用对数螺旋线。为研究分流短叶片进口在同-截圆处不同偏置方案对离心泵内外特性的影响，本文针对三副长短叶片相间的离心叶轮(叶轮 A、B、C)进行研究，分流短叶片进151起始处截圆直径D 均取 0.5 2-D)十D。在短叶片偏置上，均适宜向长叶片吸力面偏置[91，本文引入两个短叶片偏置因素：1)进口偏置角 ，代表短叶片起始处在两长叶片间圆弧上的位置，用短叶片入口起始点和叶轮圆心连线与短叶片入口起始圆被相邻两长叶片骨线截得圆弧的中分点和叶轮圆心的连线的夹角表示；21出口偏置角 ：，代表短叶片出口在两长叶片间圆弧上位置，用短叶片出口点和圆心连线与用长叶片出口处两相邻长叶片骨线间圆弧的中分点和叶轮圆心连线的夹角表示(如图 1所示)。

针对进出口偏置角共取 0。、5。和 10。三种水平组合，三种方案的分流短叶片具体设计参数见表 1。

作者简介：连松锦(1986-)，男，硕士，主要从事流体机械设计及测试研究。

l 长短叶片厚度均为5mm1.jl图 1 长短叶片离心泵叶轮图2 叶轮单流道网格机电技术 2013年4月表 1 分流短叶片位置参数A 0.5(0rD1)D rB 0.5(02 D J)D1C 0.5( -D1)D110 64l33 330 284l 335 28.41 331.2 网格划分首先利用三维造型软件 Pro/E对进水管、离心叶轮流道及蜗壳的流体域进行三维造型，然后导入ANSYS CFX前处理软件ICEM-CFD对计算流体域进行网格剖分。六面体网格相对于四面体网格，在计算速度、收敛性方面具有-定的优势，而且具有 良好的贴体性等特点，所以本文采用全局六面体网格，生成网格后经检查网格质量良好，符合计算要求，叶轮单流道计算流体域网格模型如图2所示。

13 控制方程采用了时均化的连续性方程哈纳维-斯托克斯方程(RANS)2基于布辛涅斯克(Boussinesq)涡团粘性假设的二方程湍流模型中的标准k- 模型(sk-s1，即： 丝pr堕Ox ； o. ；C。：1.44；jO/，j b/i092 l·92； 1.0； 1.3。

1.4 边界条件1.4.1 进、出口边界条件本文的计算将进口边界条件设置在与叶轮进口等直径距离为距离为0.15 m的进水管进水断面处，可认为在该边界断面的水流已完全发展成湍流，将其边界类型设置为：inlet；将出口边界条件设置为 outlet，该边界条件适用于出口处的流动是充分发展的情况，假设法向梯度为 0的条件，设置出口相对平均静压。

1.4.2 壁面边界条件本计算中各固体壁面均采用无滑移(no slip1壁面边界条件，其中将前、后盖板及长短叶片在内的旋转叶轮流动区域壁面设置成与旋转域-起旋转的壁面，其他固体壁面均设置为静止壁面。

1.4.3 动静耦合交界面模型的选择在本计算中，叶轮和进水管之问以及叶轮和蜗壳之问存在动静耦合交界面，综合考虑到机器配置、计算时间等因素，本计算的动静交界面模连续性方程： 型采用 Frozen Rotor类型。

掣：0 (1) 2计算结果与分析O x 。 。。。 动量方程： 2.1 外特性对比分析k方程：毒 -(∥ 式中，P--流体密度；X --坐标系坐标轴；- - 雷诺时均速度；p --包括湍动能k的静压力，即P p2/3pk； ～有效粘性系数， ， pc，k。/e；将三副离心泵外特性的数值模拟计算结果绘制于图3中。由图 3可见配有 C叶轮的离心泵在相同流量工况下扬程略高于另外两副，但相差不大；在相同流量工况下，A 离心泵的效率最低，B和 C离心泵的水力效率相差较小；在设计点，配有A、B及 C叶轮的离心泵的扬程 分别为：7.15 ITI、7.13 1TI和 7.29 m；效率r/分别为：74.64%、77.44%1 79.17%。

- 譬 l≮ r90807060苎504030 Q-H(A口十轮)- · Q-H(B叶轮) Q-H(cat轮)～-Q-q(. 十牟仑)- -- -Q-n(B叶轮)～ ～ -Q-q(c叶 )0 5 10 15 2O 25 30 35 40日 h)图3 外特性曲线对比9 8 T 6 5 4 3 -占第 2期 连松锦：三副长短叶片离心泵的三维湍流数值模拟研究 59图4 位置参数编号示意图2.2 内特性对比分析为了便于从不同方位对比分析分流叶片对叶轮内部流动的影响，对叶轮叶槽流道、长短叶片、短叶片进口和叶轮出口等位置进行标记，并给出周向方向的角度起始位置及旋转方向，如图 4所示 。

2.2.I 叶轮中间截面的相对速度对比分析图 5为三副叶轮在设计工况下叶轮中间截面的相对速度矢量图。由图可看出三副叶轮相对速度的总体规律为：1)大相对速度出现在长叶片吸力面进 口区附近：2)受蜗壳的影响，各个叶槽内的流动表现出非轴对称性，这与-元理论的轴对称假设有-定的区别；然而，在设计流量工况下，各副叶轮的流态又呈现出不同的规律：B和 c两副叶轮的相对速度大致沿叶片出口边的切线方向甩出，与叶轮的旋转方向成-定的角度；三副叶轮的长叶片吸力面均没有出现低速尾流区，说明添加短叶片可以有效防止尾流的产生和发展，也能起到冲刷尾流的作用，而