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基于CFD的离心泵内部流场数值模拟作者：郑玉彬张旭明来源：《科技创新与应用》2014年第21期摘要：为研究CFD技术在离心泵内部流场分析方面的应用，通过三维软件Pro/E对核主泵内部流道进行三维造型，基于雷诺时均N-S方程和k-ε湍流模型两方程及SIMPLEC算法，应用计算流体力学软件CFX对泵进行了定常数值模拟和分析。
结果表明：由于蜗壳的扩压作用，在0.6Q～1.3Q泵的内部压力变化梯度明显，从叶轮进口向蜗壳出口方向，压力逐渐增加。
在0.9Q～1.1Q工况，泵内的压力变化更加均匀，这表明在设计点附近，泵的流动更加稳定。
而在1.2Q和1.3Q工况，在第八断面附近，出现高压流体和低压流体交汇，流场分布不均匀，这表明泵在大流量区域流动不稳定。
应用CFD技术能很好的分析离心泵的内部流场。
关键词：CFD；离心泵；数值模拟随着工业和城市化的进一步发展，我国面临着水污染严重，污水治理起步晚、基础差、要求高的形势，因此开发高效节能的排污泵能够降低能耗，达到节能的效果，可以为国家带来巨大的经济效益[1]。
施卫东[2]为实现低比转速潜水排污泵高扬程、高效率、无过载性能的统一，对WQS150-48-37型低比转速潜水排污泵采用不同设计方法，经优化得出3种方案，应用Pro/E软件建模，结合Fluent软件对3种方案进行了多工况内部流场分析和性能预测，并与外特性试验结果对比。
丛小青[3]针对低比速排污泵轴功率曲线随流量增大而增大这一特点，从理论上推导了排污泵产生无过载轴功率的条件，分析了主要几何参数对扬程曲线斜率的影响，给出了无过载排污泵水力设计中主要几何参数的选择原则和范围，同时通过设计实例，阐述了无过载排污泵的设计方法。
刘厚林[4]通过对双流道泵叶轮和蜗壳里的水力损失、容积损失、机械损失的分析，提出了双流道泵扬程曲线、效率曲线的性能预测方法，分别给出了双流道泵叶轮和蜗壳内各种摩擦损失、扩散损失，及主要局部损失的计算方法。
基于Fluent 14.5离心泵内部流场数值模拟教程内容摘要：一、描述随着科学技术的进步，许多领域对水泵要求越来越高。
传统的设计方法已无法满足快节奏、高要求的现代社会。
随着计算流体力学（CFD）技术的发展，为水泵设计也带来了更好的研究方法。
应用CFD技术，通过计算机对水泵内部流场进行虚拟试验，可以快速获得外特性曲线，...一、描述随着科学技术的进步，许多领域对水泵要求越来越高。
传统的设计方法已无法满足快节奏、高要求的现代社会。
随着计算流体力学（CFD）技术的发展，为水泵设计也带来了更好的研究方法。
应用CFD技术，通过计算机对水泵内部流场进行虚拟试验，可以快速获得外特性曲线，并且能够更好的在设计阶段预测泵内部流动所产生的漩涡、二次流、边界分离、喘振、汽蚀等不良现象，通过改进以提高产品可靠性。
本教程采用IS80-65-125型水泵的水力模型，通过具体步骤希望广大同行能快速掌握运用Fluent对水泵进行CFD模拟的步骤方法。
二、建模采用Creo 2.0 M020（Peo/Engineer）进行建模。
本次教程不考虑叶轮前后盖板与泵腔间的液体（事实证明对实际结果有一定影响，为了教程方便因此不予考虑，大家可以在实际工作中加入对前后腔体液体），建模只考虑进口管部分、叶轮旋转区域部分、蜗壳部分。
对于出口管，可以根据模型的特征进行判别，本次模拟是由于出口管路对实际模拟结果影响很小，不存在尺寸急变等特征，因此去掉了出口管段，以减少网格数量。
建模如图所示：图1 建立流道模型三、网格划分建模完成后，导出*.x_t（或其他格式）格式，导入网格划分软件中进行网格划分。
网格划分软件有很多，各有各的优势，主要采用自己熟练的一种即可。
本次教程采用ICEM进行网格划分。
进口段为直锥型结构，采用六面体网格。
叶轮和蜗壳部分采用四面体非结构网格（也可以采用六面体网格，划分起来比较麻烦）。
对于工程应用，可以采用不划分边界层网格，划分边界层网格比较费时间，生成的网格数量也很高，但是从模拟的外特性曲线来看，差别不是很大，但是对于研究边界层流动对性能的影响，就必须划分边界层，对于采用有些壁面条件，也必须划分边界层（该部分查看其它教程）。
Fluent离心泵仿真计算“ 一个人也可以是一个团队。
”仔细欣赏案例源文件，有惊喜。
01—简介在本教程中，您将设置一个通用流体流动模拟，以使用 Frozen Rotor 方法评估带有无叶片蜗壳的离心泵的性能。
本教程演示如何执行以下操作：·使用涡轮增压器设置无螺距-比例接口模型。
·描述壁运动和其他边界条件。
·指定适当的求解器设置。
02—问题描述要考虑的问题是带有蜗壳的离心泵的建模，如图 1 所示。
泵叶轮有 5 个叶片，以 1450 RPM 的速度旋转。
已知蜗壳出口处的质量流量为 90 kg/s。
在入口处使用 0 pa 的表压总压。
将执行模拟以确定泵产生的压头，代表流体的整体压力增加。
图1 离心泵网格模型03—仿真设置1、湍流模型的选择图2 湍流模型的选择在湍流模型方面，本文选择k-w SST湍流模型，这主要是因为与其他两方程模型相比，k-w SST 湍流模型可有效预测涡轮机械中的流动分离，从而可以准确评估泵性能。
2、流动介质的选择在流动介质方面，本文主要以水为传动介质，因此从Fluent自带的流动介质库里面选择液态水介质。
3、cell zone condition设置图3cell zone condition设置将默认的流动介质由空气改为水，同时勾选Frame Motion。
在旋转中心和旋转轴对话框分别输入（0，0，0）和（0，0，1）（这两个参数是根据自己几何模型的坐标和方向确定的，不要所有的模型都输入这样的参数），转速方面输入1450RPM（这是根据工况要求确定的），其余保持默认。
4、边界条件设置图4 impeller-hub设置默认情况下，旋转壁相对于叶轮流体区域的速度为 0，只有在这种情况下才能更好的表征流体粘性引起的运动。
图4 inblock-shroud设置inblock-shroud相对于绝对参考系是静止的（速度等于 0）（与impeller-hub相比，一个是绝对速度为0，一个是相对速度为0，细细对照模型对比一下，一个绝对速度为0，那是真静止，一个相对速度为0，那是真运动）。
基于FLUENT的离心泵内流特性数值模拟研究
赵瑜;高玉莹;江琦;叶合欣;张建伟
【期刊名称】《广东水利水电》
【年(卷),期】2024()2
【摘要】离心泵作为高速旋转机械,其内部复杂的流动形态越来越受关注。
该文依据某工程数据,基于FLUENT软件建立离心泵三维流体域数值仿真模型,分别对离心泵在0.2Q d(Q d为该离心泵设计流量)、0.4Q d、0.6Q d、0.8Q d、1.0Q d、1.2Q d 6个不同流量工况下的内部流动特性进行模拟计算,并将计算所得流量-扬程和流量-效率曲线与真机试验结果进行对比,计算结果与试验结果最大误差为4.71%,从而证实了数值仿真结果的可靠性。
通过对压力和速度分布分析可知:离心泵内部静压和流速随流量增加而降低,叶片前缘存在负压区,易引发汽蚀、振动、噪声等不良结果。
相较小流量工况,设计工况下泵内速度分布更加均匀。
对泵内流态进行多角度分析,对离心泵的结构优化设计有一定的借鉴意义,可为类似工程提供参考。
【总页数】8页(P61-67)
【作者】赵瑜;高玉莹;江琦;叶合欣;张建伟
【作者单位】华北水利水电大学水利学院;广东省水利水电技术中心
【正文语种】中文
【中图分类】TH311
【相关文献】
1.离心泵内流场空化特性的数值模拟研究
2.基于FLUENT的氯乙烯泄漏扩散特性数值模拟研究
3.基于Fluent的均流孔板阻力特性数值模拟研究
4.基于FLUENT数值模拟的离心泵内冰浆两相流流动特性分析
5.基于fluent数值模拟的离心泵汽蚀问题研究
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FLUENT模拟泵内部流动的设置教程本教程以泵内定常流动数值模拟为例，详细讲述了如何应用FLUENT进行泵内流计算以及如何应用FLUENT进行简单的后处理。
基本步骤：1、启动FLUENT，选择3d求解器。
2、读入网格（×.msh）；3、检查网格，确保最小体积为正，选择grid→check菜单；4、缩放网格；5、光顺/交换网格；6、求解器设置；7、设置计算模型；8、设置运行环境，对于离心泵数值模拟一般不考虑重力；9、设置转速单位；10、定义材料，也可以进行自定义材料；11、定义边界条件；12、设置交界面；13、设置求解参数；14、监视残差；15、初始化流场；16、保存case文件；17、开始迭代计算；18、FLUENT后处理。
1、启动FLUENT，选择3d求解器。
启动后FLUENT界面如下图所示：2、读入网格（×.msh），选择file→read→case菜单；3、检查网格，确保最小体积为正，选择grid→check菜单。
Check无误后才可以进行下面的操作。
4、缩放网格，选择grid→scale菜单，弹出下图的对话框，直接输入Scale Factors点击Scale即可，一般缩小1000倍到毫米。
由于FLUENT默认的单位是米，所以必须进行网格缩放。
5、光顺/交换网格，选择grid→smooth/swap菜单，进入下面的界面；先点击Smooth，然后点击Swap直至Number Swapped为0。
6、求解器设置，选择define→models→solver菜单，进入求解器设置界面，如下图所示。
一般定常求解设置为分离求解器、隐式算法、三维空间、稳态流动、绝对速度、压力梯度为单元压力梯度计算；7、设置计算模型，选择define→models→viscous菜单，弹出湍流模型选择对话框。
一般选用标准k-ε模型，进入k-ε模型设置界面，一般保持默认即可；8、设置运行环境，选择define→operating condition菜单，弹出下面的对话框。
基于Fluent的离心泵二维流场数值模拟谭宗柒;叶惠军;李灿灿【摘要】On the method of multiple reference frame (MRF) and using the standard turbulent model, the simulation of two-dimensional flow fields of the internal flow in centrifugal pump is carried out by using the software of Fluent. We draw the velocity distribution and pressure distribution. The results show that the flow, velocity and pressure distribution in the impeller of a centrifugal pump are significantly different and asymmetric. The numerical simulation method can reflect the complex flow in the centrifugal pump and provide a theoretical basis for designing and improving the inner flow of the pump.%使用Fluent软件,结合MRF法模拟了离心泵内流体的二维流动情况,采用标准的湍流模型,得出了离心泵内的速度分布图、速度矢量图、静压力和总压力图,结果表明离心泵叶轮内各通道的流量、流速及压力分布有明显的差异,表现出明显的非对称性,利用数值模拟方法能真实反映泵内部的复杂流动,为泵内流道的设计、改进提供了理论依据.【期刊名称】《三峡大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2011(033)006【总页数】3页(P54-56)【关键词】离心泵;二维流场;数值模拟;Fluent【作者】谭宗柒;叶惠军;李灿灿【作者单位】三峡大学机械与材料学院,湖北宜昌 443002;三峡大学机械与材料学院,湖北宜昌 443002;三峡大学机械与材料学院,湖北宜昌 443002【正文语种】中文【中图分类】TH123随着流体力学计算技术的迅速发展，数值模拟开始广泛应用于叶轮设计和流场分析中，而CFD是一种研究流体力学的数值模拟的有效方法.多重坐标系模型（Multiple Refernce Frame，MRF）的基本思想是把离心泵内流场简化为叶轮在某一个位置的瞬时流场，将非定常问题用定常方法计算.转子区域的网格在计算时保持静止，在惯性坐标系中以科氏力和离心力进行定常计算；而定子区域在惯性坐标系中进行定常计算.在两个子区域的交界面处交换惯性坐标系下的流动参数，保证交界面的连续性［1］.离心泵是一种量大面广的机械设备，被广泛应用于各种水力机械中，包括给水排水及农业工程、工业工程、航空航天和航海工程、能源工程、车辆工程等.离心泵由于工况变化、结构设计等因素会造成运行时泵内流场的不对称性.1 CFD模型控制方程离心泵的内部流动属于定常不可压粘性流动，其N－S方程为［2］:连续性方程动量守恒方程其中为雷诺应力张量.由于RANS方程组不封闭，故引入k－ε模型来封闭:式中，湍动黏度可以表示为vt＝；湍动能可表示为2 建模及分析使用Fluent软件的前处理程序Gambit分别生成叶轮、蜗壳的流动区域，再对叶轮、蜗壳的流动区域进行网格划分，然后利用Fluent导入.msh文件进行计算［3－6］.某型号离心泵部分参数见表1.表1 某型号离心泵部分参数叶片进口直径／mm叶片出口直径／mm叶片数转速／（r·min－1）140 220 5 12002.1 网格划分叶轮流动区域:“Elements”对应的选项为“Tri”，对应的“Type”选项为“Pave”，相应的“Spacing”为1，共划分50464个网格；蜗壳流动区域:“Elements”对应的选项为“Tri”，对应的“Type”选项为“Pave”，相应的“Spacing”为2，共划分34192个网格.图1 离心泵网格化及局部放大图2.2 计算求解采用压力速度耦合的半隐式求解，选择标准k－ε模型，经过418次迭代后控制方程收敛，得到离心泵模型速度分布图和压力分布图，如图2～5所示.2.3 结果分析水流从垂直于进口的方向以2m／s的速度进入叶轮，经过蜗壳的作用，从出口边流出.计算过程中流体的密度取1.225kg／m3，入口的压力为大气压101.325kPa，流体黏度1.7894×10－5 kg／（m·s）.从图2和图3可以看出，叶轮流道内流场表现出明显的非对称性.其中靠近出口的叶轮通道液流速度约为14.7m／s，明显高于其他叶轮通道；与泵壳壁面距离最近的叶轮通道处的速度约为18m／s，高于相连的与泵壳壁面较远处的速度.总体上，随着叶轮与壁面距离的增大，流速也随之增大.同时，随着叶轮的旋转，叶轮倒叶相对位置的改变，叶轮出口流速也不断发生变化，导致叶轮内部流场表现出不对称、不稳定的状态.从图4和图5可以看出，泵内静压和总压也表现出非对称性.由于叶轮旋转做功，叶轮内的静压随着流动方向逐渐增大.叶轮离泵壳较近的下区域附近，由于液流的动能转换成势能造成泵内静压达到最大，随着沿程的水力损失，静压力逐渐降低.同时，泵内的最大压力并不在出口处，而是在叶轮离泵壳较近的下区域附近，其主要原因是涡壳与水流相接触的壁面采用无滑移壁面条件，这样流体在涡壳壁面附近的速度极小，根据能量守恒定律，此处压力比出口处的大.3 结论本文基于N－S方程和标准k－ε模型，利用Fluent对离心泵的二维流场进行模拟，绘制出了速度分布图、静压分布图、总压分布图.由于泵体结构的非对称性以及叶轮与泵壳间的小空隙，离心泵内压力、速度均表现出明显的非均匀性.从而可以得出，流场的非均匀性会导致泵体受力不平衡，对泵运行的稳定性有很大的不利影响.研究内容对离心泵的优化和改进有一定的指导意义.参考文献:［1］唐辉，何枫.离心泵内流场的数值模拟［J］.水泵技术，2002（3）:3－7. ［2］王福军.计算流体动力学分析［M］.北京:清华大学出版社，2004:120－123. ［3］王秀勇.离心泵流动特性的数值分析［D］.杭州:浙江大学，2007.［4］吕培文.基于CFD离心泵数值模拟及性能优化［D］.上海:华东理工大学，2010.［5］李进良，李承曦，胡仁喜，等.精通FLUENT6.3流场分析［M］.北京:化学工业出版社，2009.［6］陈乃祥，吴玉林.离心泵［M］.北京:机械工业出版社，2003.。
