低比转速离心泵内部流场分析及试验

2006年11月农业机械学报第37卷第11期低比转数冲压多级泵叶轮内三维流动数值模拟刘元义　王广业 【摘要】　应用标准k 2Ε湍流模型加壁面函数法对低比转数冲压多级离心泵叶轮内的三维湍流流动进行了时均N -S 方程的数值计算。

分析了叶轮内部流场的速度分布和压力分布,研究了离心泵叶轮通道内流动的规律。

并利用CFD 软件CFX 的模拟结果得到了设计工况下离心泵叶轮的扬程和效率的预测值,预测结果与相关的试验数据相吻合。

关键词:冲压多级泵　叶轮　数值模拟　扬程　效率中图分类号:TH 311文献标识码:ANu m er ica l Si m ula tion of 3D Flow i n L ow Spec if icSpeed Stam p i ng M ultistage Pu m p ’s I m pellersL iu Yuanyi 1　W ang Guangye2(1.S hand ong U n iversity of T echnology 2.R iz hao P oly techn ic )AbstractT he ti m e 2averaged N avier 2Stokes equati on s of th ree 2di m en si onal tu rbu lence flow in i m peller of stam p ing m u ltistage cen trifugal pum p are calcu lated by CFD based on the standard k 2Εtu rbu lence m odel and w all functi on .T he velocity distribu ti on s and p ressu re distribu ti on s w ith in the i m p eller of m u ltistage pum p are analyzed acco rding to the resu lts .T he p redicted heads and efficiencies of cen trifugal p um p i m pellers are con sisten t w ith the co rrelative exp eri m en tal data .Key words Stam p ing m u ltistage p um p ,I m peller ,N um erical si m u lati on ,H ead ,Efficiency收稿日期:2006-01-23刘元义　山东理工大学教务处　教授　博士,255049　淄博市王广业　日照职业技术学院机电系　讲师,276826　山东省日照市 引言随着计算机技术以及计算流体力学等新学科的飞速发展,数值模拟、理论分析和试验研究一起构成了研究流体流动的重要方法[1]。

离心泵内部流场分析及效率提升研究离心泵是一种常见的流体机械设备，广泛应用于各个领域，例如水利工程、农业灌溉、石油化工、环保等。

离心泵工作时，通过转子高速旋转产生离心力，将进口液体送往出口，实现输送液体的功能。

但是，由于离心泵内部复杂的流场结构以及传统离心泵的结构缺陷，导致泵的效率低下。

因此，本文将从离心泵内部流场分析入手，探究离心泵效率提升的方法。

一、离心泵内部流场分析离心泵转子与固定流道之间的空间构成复杂的液体流动系统，此系统涉及的流体力学现象非常复杂。

离心泵内部流场主要包括进口区、叶轮区、扩压器区、均流器区以及出口管道区。

虽然不同类型、规格的离心泵内部流场存在差异，但当液体流入离心泵后，其流动基本形态均为涡旋流和轴向流。

离心泵进口区是进口管道与泵体相连接的部分，其主要功能是调整流量和进口速度，使流体顺利进入泵体，并不受阻力损失。

叶轮区又称泵轮区，是离心泵流场中变动最大的部分。

泵轮的工作是通过转速、叶片数、叶片形状等参数，让进口液体获得一定径向速度，进而受到离心力作用，最终达到流动输出。

扩压器区又称扩张管区，是泵后压力升高的地方。

离心泵能够产生较高压力的原因就在于扩张管的设置。

当液体进入扩张管时，通道的横截面面积逐渐增加，流速逐渐降低，产生扩张效应，从而使得泵后压力增加。

均流器区是仅存在于多级离心泵的专业设计设备。

其作用是消除由于不同导流流量、叶轮蜗壳形状造成的径向力不平衡，使流体流入出口区时，各流道内平均流量一致。

出口管道区是泵出口处接管管道的部分。

由于出口管道长度、管径、安装角度等多种因素的影响，使得出口区的流场非常复杂。

二、离心泵效率提升的方法离心泵的效率是指输出功率与输入功率的比值，是衡量离心泵性能的重要指标之一。

由于离心泵内部复杂流场结构、设备结构缺陷等原因，导致泵的效率降低。

因此，如何提升离心泵效率，成为离心泵工程师们一直探讨的问题。

（一）叶轮设计优化叶轮是离心泵内部流场中最为重要的部件之一，其参数对泵性能影响非常大。

低比转速离心泵空化性能的数值模拟典平鸽【摘要】为了对低比转速离心泵空化发生时的内部气液两相流动进行分析,应用计算流体力学(CFD)软件对比转速为66的离心泵空化性能进行气液两相流场的数值研究.对不同有效空化余量时叶轮内部气泡分布的研究表明,泵在进口压力较高时就已经在叶片的进口背面产生空化初生,临界空化余量和许用空化余量时,气泡在叶片表面和流道内部均有分布,占据了部分叶轮流道,影响叶轮内部能量交换,并可能对泵造成空蚀.对该实型泵进行试验研究,验证了数值计算的精确度.%In order to analyze the vapor-liquid two-phase flows in low specific speed centrifugal pumps at the occurrence of cavitation, numerical simulation of the vapor-liquid two-phase flow fields in a centrifugal pump at a specific speed of 66 was carried out by use of computational fluid dynamics software. Hie distribution of water vapor within the impeller at different net positive suction heads was investigated. Cavitation inception occurred at the inlet of blade suction side was found when the inlet pressure is quite high. Under the critical and the allowable net positive suction heads, water vapor was found on the blade surface and in the flow channel, occupied part of the impeller flow channel. The energy transfer within impeller was affected and cavitation erosion may happen. The accuracy of numerical simulation was validated through the experimental studies on the prototype pump.【期刊名称】《水利水电科技进展》【年(卷),期】2011(031)006【总页数】4页(P31-34)【关键词】离心泵;空化初生;临界空化余量;允许空化余量【作者】典平鸽【作者单位】河南城建学院环境与市政工程系,河南平顶山467001【正文语种】中文【中图分类】TH311离心泵是应用非常广泛的通用机械。

第46卷第2期2017年4月船海工程SHIP & OCEAN ENGINEERINGVol . 46 No . 2Apr . 2017DOI ： 10. 3963/j. issn. 1671-7953.2017. 02. 037船用离心泵内部流场的数值模拟及试验分析黄书才，穆春玉，杨勤，陈斌，沈飞，罗力(武汉船用机械有限责任公司，武汉430084)摘要:为预测WDP150型船用离心泵的水力性能和汽蚀性能，基于yV-S 方程及湍流模型对其内部流场进行数值模拟，在闭式试验台上进行性能试验，比较和分析各性能参数仿真值和试验值的差异。

结果表 明，数值仿真可直观形象地分析离心泵内部流动规律，并能很好地预测离心泵的性能参数，为过流部件的优化 设计和后续设计同类型泵提供理论依据。

关键词:离心泵;内部流场;性能参数;数值模拟;闭式试验中图分类号：U664.5文献标志码：A文章编号：1671-7953(2017)02-0157-04电动深井式离心泵越来越广泛地被应用于成品油船、化学品船、原油船和FPS0，是液货船进行液货装卸、扫舱和船舱清洗排水的主要配套装备， 是仅此于油船主机的第二大系统[1]。

为降低研发成本及缩短开发周期，越来越多的科研工作者 通过数值模拟对离心泵内部流场进行仿真分析， 取得了一定的研究成果[2_7]。

然而，这些研究仅模 拟离心泵的内部流场及外特性，较少精确仿真离 心泵的汽蚀性能。

另外，详细总结离心泵各性能 参数的仿真值与试验值差别的研究也鲜见报 道[8_9]。

以本公司自主研发的WDP150型船用离心泵为研究对象，在额定工况下对内部流场进行 数值模拟，分析内部流动规律，并对外特性进行试 验验证，详细分析各性能参数的仿真值与试验值 的差异，为离心泵的研制提供参考。

1模型及网格计算模型是一台比转速为88.4的立式、单吸船用离心泵，型号为WDP 150，其设计参数见表1。

表1WDP150型船用离心泵的基本设计参数流量/ ( m3 • h~1 )扬程/m转速NPSH/m/ ( r • min )300120 3 0426计算域及网格划分如图1所示，包括进水管收稿日期:2016-10-13 修回日期:2016-10-29基金项目：国家发改委项目(发改办高技[2015]1409号) 第一作者:黄书才（1986—），男，硕士，助理工程师 研究方向：流体机械设计研发路、叶轮、压水室和出水管路4个部分，其中进水 管路和出水管路是为了避免求解时出现回流而人 为添加的两段圆柱管道，其长度可由经验值取得。

某低比转速直叶片离心泵三维流动数值分析高光良【摘要】以某低比转速航空燃油离心泵为研究对象,运用三维数值仿真手段获取了该离心泵特性及不同工况时的流动细节,分析了该泵存在的主要问题.研究结果表明:(1) 该泵效率随着流量的增加呈上升趋势,扬程随着流量的增加呈现先上升后降低减小趋势,拐点出现在流量大约为24 000 L/h的工况;(2) 该离心泵效率较低,在不考虑泄露损失时最高效率仅为54.29%,常用工况下其效率并不在泵性能的最高点;(3) 在靠近蜗舌附近的叶轮出口端存在低压区,有汽蚀现象.研究结果为进一步提高该离心泵的性能以及稳定工作提供了参考.【期刊名称】《航空工程进展》【年(卷),期】2010(001)004【总页数】4页(P390-393)【关键词】离心泵;数值模拟;流动结构【作者】高光良【作者单位】西北工业大学,机电学院,西安,710072【正文语种】中文【中图分类】V231.10 引言离心泵作为航空发动机的燃油泵,由于其流量大、反应迅速、控制简单和可靠性好的特点,在结构、性能上具有目前其它任何形式泵所不具有的优势,因此在航空发动机燃油系统中得到广泛应用。

为了适应航空发动机推重比不断提高的发展趋势,高扬程、高效率、高可靠性、高抗汽蚀性能和小体积是航空离心油泵设计的努力方向[1]。

由于离心泵内部固有的流动特征,使得其在高扬程条件下效率一般都偏低,如何在保证离心泵其他性能不变的前提下尽可能提高其效率是工程人员迫切需要解决的问题。

随着计算机技术的发展,基于CFD的泵性能预测及优化设计已基本达到工程实用的程度。

郭加宏[2]针对某双吸式离心泵流量和扬程达不到设计要求、效率偏低的情况,应用数值模拟的方式找出泵存在的问题,并提出改进措施。

陈炜[3]对一高速复合叶轮离心泵在设计工况进行了多相位定常流动数值模拟,为进一步提高高速复合叶轮离心泵的性能提供了一定的理论依据。

资料分析表明[4-6]:在多数情况下,CFD技术能够较真实地反映流场的分布情况,计算结果可为设计、优化提供依据,然而目前关于航空用低比转速、超大流量、高扬程离心泵的数值和试验研究并不多见。

基于Simerics-MP+软件对低比转速离心泵内部流场的分析程蕾1 金雪红1 王凯乐1 杨军虎2发布时间：2023-06-22T04:18:56.258Z 来源：《中国科技信息》2023年7期作者：程蕾1 金雪红1 王凯乐1 杨军虎2[导读] 为研究低比转速离心泵的内部流场，运用Simerics-MP+软件对低比转速离心泵流场进行瞬态仿真分析，并结合试验数据进行对比，得出在对低比转速离心泵进行优化设计时，需要考虑到管损及表面粗糙度对内部流场及泵性能的影响。

1.西安泵阀总厂有限公司陕西省西安市 710025；2.兰州理工大学兰州 730050摘要：为研究低比转速离心泵的内部流场，运用Simerics-MP+软件对低比转速离心泵流场进行瞬态仿真分析，并结合试验数据进行对比，得出在对低比转速离心泵进行优化设计时，需要考虑到管损及表面粗糙度对内部流场及泵性能的影响。

前言低比转速离心泵具有流量小、扬程高的特点【1】，在石油化工、航空航天、冶金、制药及轻工业等国民经济领域有广泛的应用。

由于低比转速离心泵叶轮流道细长，叶片出口宽度小，叶轮外径大【4】，圆盘摩擦损失较大，多因素影响下导致离心泵内部流动复杂，仿真难度较高。

本文通过数值模拟的方法，对低比转速离心泵内部流场进行仿真分析，得到低比转速离心泵工作过程中的压力及流线分布等规律，为低比转速离心泵优化设计提供理论依据。

1.三维模型的建立计算模型的全流体域如下图1所示，包括进口段（inlet）、叶轮（rotor）、泵体（volute）、出口段（outlet）四部分，同时对模型的进、出口进行适当的延长，可以使得仿真计算过程更加稳定，计算结果更加准确可靠。

图1. 计算模型全流体域 图2. 流体域网格2.流体域网格划分本文采用Simerics-MP+软件内置的笛卡尔网格技术对流体域进行网格划分，为提高计算的准确性，对叶轮域和泵体的隔舌部位进行局部网格加密（如图2）【3】，总网格数达到2.88×106。

低比转速离心泵叶轮设计及流动分析作者：郭攀史洪伟宋传智来源：《赤峰学院学报·自然科学版》2020年第08期摘要：低比转速离心泵流量小、扬程高，在化工生产、居民用水、农业浇灌以及船舶与航天范围都有广泛的应用.正是由于它的工作特点，使得低比转速离心泵叶轮具有较为狭长的流道构造，这就加大了离心泵的机械损失.叶轮是离心泵的核心过流元件，一个优秀泵的叶轮几何设计必然是一个泵的综合性能设计体现.流体在叶轮上的流场非常繁杂，这就导致了其对泵的性能的影响参数较多，传统的设计和试验方法难以对流体运动做出精确的分析，采用合理的设计方法以及优秀的分析手段来研究各影响要素与离心泵性能优劣的关系是设计出一个优秀离心泵的前提.本文对此进行了分析探讨，以供借鉴参考.关键词：低比转速;离心泵;叶轮;流动分析中图分类号：TH311 文献标识码：A 文章编号：1673-260X（2020）08-0025-051 引言近些年化工行业的飞速发展，使得泵类设备的设计与使用愈发广泛.在城市给水、灌溉排水、精细化工、航空工程及船舶工程等行业的流体输送、农业生产、冷却系统及水力循环等领域均有应用.工业生产用泵不仅数量巨大、种类繁多，且因使用环境复杂各异，其性能参数也各不相同.其中，低比转速离心泵的比转速ns处于30至80之中，ns小反映其流量小、扬程高，并具有结构简单、质量轻、体积小、低噪声以及维修方便等特点，在设计中常采用圆柱形叶片[1].低比转速离心泵中，主要的做功效率损失就归于叶轮本身的机械损失.其机能的好坏直接牵连着能量利用率与生产效率的提升，对工业的进步具有明显的促进效果.因此，如何设计出一个符合生产需要的优秀离心泵叶轮，达到消除扬程曲线驼峰、汽蚀现象及提高工作效率等目的，是当前设计人员对该种类型泵探究的关键问题[2].设计人员通常采用相似理论法进行产品的参数设计，但是到目前为止并未完全准确的掌握液体在离心泵内的流动方式，所有的设计都成立在设计人员较为丰富的理论知识和设计经验之上，并被已有泵的设计水平所限制[3].在对一台设计好的离心泵进行性能试验时，因为试验的成本及条件的限制，并不能很好的完成对产品的直接测试.CFD技术的运用很好的促使了理论计算、试验探究与仿真模拟共同解决液体的运动问题.在模型设计阶段对其进行数值仿真，可预估其使用效能，还能了解其内部液体运动的不稳定情况，掌握其流动规律.低比转速离心泵内部流体流场的复杂性，对离心泵叶轮数值模拟具有非常重要的理论意义和应用价值.离心泵的应用价值巨大，能完善且高效率的设计出一个优秀的离心泵是十分必要的.2 低比转速离心泵叶轮内部流体流动情况2.1 叶轮内部流动的研究叶轮是离心泵的“心脏”，离心泵水力设计可以简单归纳为一个具有高效率和满足性能要求的叶轮水力设计，流体在叶轮内的流动是复杂非线性的方式，理论计算很能实现对叶轮内部流体状态的精确测算.因此，有必要采取一定的技术明白液体在叶轮上的流动方式，清楚其内部繁杂的流场情况，并结合理论和试验的方式探究液体在叶轮上的流动规则，如速度和压力走向等，以此树立叶轮有效的设计思想.当前，CFD数值模拟方法、理论分析法和试验观测法组成了分析和认识离心泵内部流体流动的研究设计方法.三者各有各的适用场所和优点，形成了一套研究流体状态的完整体系.2.2 叶轮内部流动分析2.2.1 离心泵的尾流-射流结构泵的叶轮是以有限个叶片所构成，邻近的叶片之间为它的液体流道.液体在其内流动，在其壁面形成边界层，叶片对它的夹持力度相对减弱，导致流体不能完全被约束，结合流体粘性力，流体的惯性就会表现出来.如果把此时液体在叶轮中的流动进行分解，除了均匀的对应流动外，还存留着相对的轴向旋涡转动，它的回转方向和叶轮相反.运动的叠加及哥氏力等原因，经过边界层成长、二次流生长及流道分层效果的彼此作用，使泵类叶轮内部形成尾流，这也是叶轮内能量主要耗散区.流道中的运动一般都是以相比流速较低的尾迹区以及接近无黏性的射流区构成[4].叶轮对流体所做功大小不相等，最后导致流体在接近工作面较强，接近背立面较弱.于逆向压力梯度的影响中，接近出口背面的边界层更轻易发生分离，于其周围引起回流与脱流等情况.图2可以看到于尾流区及射流区中间留有一段具备速率梯度的间隙.若梯度较大，则可构成剪切层，尾流区越宽，剪切层越薄，速度梯度也越大，给叶轮的使用效果带来的影响愈大，同时增大泵内部的流动损失.低比转速离心泵叶片数量较少，从而速率梯度更大，分层效果明显，严重干扰泵的性能参数[5].在设计中可通过增大出口宽度、取较多的叶片数等均可削弱离心泵的尾流-射流结构.2.2.2 离心泵汽蚀现象汽蚀为泵类机械常见的流体运动状态，离心泵工作时，气泡在叶轮高压区持续破裂的同时造成剧烈冲击，常带给工作中的离心泵噪音與振动.离心泵若长期受汽蚀的影响，其叶片表面会遭受疲劳破坏甚至断裂，呈现出蜂巢状的外观，严重影响泵的水力性能，如图3所示.在该种类型泵，相邻两叶片中的流道较为狭窄，导致出现空化时，空泡就会充斥整条流道.因此，扬程效能曲线的走向就会呈现突然下降的趋向.设计中降低叶片流入口速度为改进泵类抗空化效能的有用方式.合理的增加叶轮的进口大小、加大叶片的进口宽度与叶片进口冲角均起到提升离心泵抗汽蚀能力的作用.另外，叶片入口处倾于吸入口方位合理的伸展可让流体提早受到叶片的影响，在加大叶片能用面积的前提下，缩小了叶片两面的压差，也让入口边的直径减小，提升泵的抗空化效能[6].采用这种设计方法也减小了所设计叶轮的外径、增加了叶片的重叠程度，对离心泵的圆盘摩擦损失和流道的扩散现象都是有利的.2.2.3 离心泵流动失速现象低比转速离心泵本身的流量一般较小，当其减少到某个限度时，流体在流入和流出叶片的地方能够呈现回流和脱流的形势，回流将造成泵使用的效率降低，且会随同流量及压力的跳动而发出噪音及震动[7].在液体流量较小时，液体进入流道是不匀称的，会在叶片间产生一个甚至更多失速团，失速团在各流道内轮回产生且越来越剧烈，进而产生回旋失速.这种失速旋转对离心泵的安全使用影响很大，可引发叶轮流道的堵塞与扬程性能曲线的下降.3 低比转速离心泵的技术特征与叶轮设计3.1 叶轮叶片数的选取该类型泵叶轮流道细长而使其圆盘摩擦损失较大，设计上大多取用更多叶片数量的方式以使叶轮外径尺寸变小.在离心泵中，叶片选取的数量通常随ns的降低而增加.在低比转速离心泵中，过多的叶片设计会导致叶轮进口排挤系数加大，更易产生驼峰.较少的叶片设计，则会降低叶轮工作性能参数.该种类型泵的叶轮一般采纳5～7扇叶片，若选取数量较少，那么应恰当增加叶片包角.3.2 叶轮叶片进、出口角的选择3.2.1 叶轮叶片进口角的选择该类型泵具备明显的粘性效应，对此，叶片入口角的度数要加大.离心泵的叶片厚度较小，考虑对包角的影响，可以增加一个冲角Δβ，冲角通常选择3°～15°.选用正冲角能够增加叶轮抗汽蚀能力，并不会过大干扰叶轮的效用.采纳加大的叶片入口角，能有效降低叶片的卷曲水平和入口处流体的排挤.另外，研发中采取正冲角能使液体在流道间低压侧的非工作面造成脱流，且难以向高压区扩散，能抑制住旋涡的出现区域，进而能够缓解空化的危害.由于粘性效应的参与，离心泵的包角一般设计的比较大.如果不改进叶片进口角的大小，使得叶轮出口较小而叶片包角过大，其结果往往是在叶片出口产生严重的脱流现象，增加扬程的损失.3.2.2 叶轮叶片出口角的选择叶片出口角β2的大小干扰着泵的性能，当叶轮直径一定时，β2的选取有如图4几种干涉情况：β2的大小常取18°～40°之间，若β2大于或等于90°，叶轮效能的消耗就会同流量的增长而增长.同时，因轴功率变大也将导致原动机更易超载.设计低比转速离心泵叶轮时，采用较大的出口角，虽然可以增加揚程、减小叶轮的直径，从而降低叶轮的圆盘摩擦损失，以此提高叶轮的工作效率.但是，较大的出口角在流量相同的情况下，叶轮出口处速度加快，使得流体在压水室内的容积损失增大.而且，随着β2的增大，其相对速度降低，流动扩散损失也更加巨大.在这种情况下，具有流量小的特点的低比转速离心泵，更易于使扬程特性曲线发生驼峰.3.3 叶片包角的选择对泵的影响该类型泵采纳的圆柱形叶片设计，使得包角可以选择的数值区间过大，常常使研发者产生困惑，很多长年研究的设计者也只能凭经验来选取包角的数值大小，而且流道狭长更加导致设计者对包角选取的重要性.一般情况下，采用较大的包角，能减轻液体流动扩散的现象，流场情况也更靠近叶片形式，增大离心泵的性能利用.但是，在确定离心泵外径的数值后，增大所设计的叶片包角，则使两叶片间的流道加大，因而增大了圆盘摩擦损耗而使泵使用效能有所降低.若选取的包角过小，又将导致叶片的重叠度降低，不利于对液体流动有用的流道地方的设计.3.4 叶轮主要参数的水力设计叶轮主要几何参数有叶轮进口直径Dj、叶轮出口直径D2、叶轮进口宽度b1、叶轮出口宽度b2、叶片进口角β1、叶片出口角β2、叶片数z等[8，9].4 低比转速离心泵叶轮的CFD分析4.1 三维模型的建立低比转速离心泵的CFD分析法不同于试验观测设计法，不需要设计者投入大量的资金生产制造样机，并以实际的测试结果计算产品的性能.试验观测法经常为获得一个优秀的离心泵水力设计而反复的制造样机以寻求较好的设计结果，这无疑给产品带来了较长的设计周期，严重影响工业的发展.CFD分析法通过对所设计的设备参数进行三维模型的绘制，利用计算机技术对模型进行数值模拟，快速准确地计算出产品的工作性能.图像显示的优点可以清楚而直观的分析出流场的存在形势.根据设计参数绘出模型如图5所示.4.2 湍流模型湍流是一种十分常见的现象，它是一种即对空间不规律又对时间无次序的表现.科学上利用雷诺数的大小对流体流动形式作出简单的鉴别，通常对管内的流体，在雷诺数低于2300是被认为是层流，2300至4000则被认为是过度流，而当这一数值大于4000时则被归于湍流.由于湍流是一类较为繁杂的非线性流动形式，成为当今科研人员研究的热门方向.本文对叶轮内流体的流场模拟选用k-ε模型，此模型在解决湍流模型的问题上具有更好的准确性和经济性，因此，在流体分析中的应用更为广泛和成功.4.3 网格划分流体运动大多伴随着复杂的流动问题，不规则的模型和流动区域加大了计算难度.因此，对离心泵叶轮的三维模型做数值模拟时，第一步就是将模型进行网格划分，即对空间上一系列连续的计算区域划分成多个子区域.网格划分的细腻程度是数值计算和显示云图是否精确的前提[10，11，12]，而网格生成越精密又对计算机的性能需求越大，就需要耗费更多的时长.划分网格是连接三维模型和数值计算的桥梁，建立正确而合理的网格数量能提高计算效率和分析精度.图6为网格划分后的叶轮模型.网格划分一般可分成结构化网格、非结构化网格及混合网格[13].（1）结构化网格的单元与节点是规则排列的，而且每一个节点的领点数量也是相同的.这使得在网格划分时网格的生成速度较快，边界拟合实现更加容易以及操作简单.但是，这种划分方式仅适用于规则简单的模型，适用性大大降低;（2）非结构化网格的单元及节点成无规则排列，因而，对它们的可控性更优，能够更好的解决边界问题.这种方法在划分时可做到优化分辨，可以划分出高品质的网格，提升结果的适用性[14].但是，这种划分方法不能很好地解决粘性，而且对同一模型，它的划分效率低;（3）混合网格，前面两种网格划分方式都有其不足，为了能获得更好的模拟结果，混合网格技术就越来越得到工程师的重视.这种划分方式灵活性高，可改善网格的自适应性，广泛的应用于解决复杂边界问题的模型中[15].4.4 性能预测将网格划分后的模型设定合理的边界条件及数值进行计算后，得到流体的流线分布图、压力云图以及速度云图.3 低比转速离心泵的技术特征与叶轮设计3.1 叶轮叶片数的选取该类型泵叶轮流道细长而使其圆盘摩擦损失较大，设计上大多取用更多叶片数量的方式以使叶轮外径尺寸变小.在离心泵中，叶片选取的数量通常随ns的降低而增加.在低比转速离心泵中，过多的叶片设计会导致叶轮进口排挤系数加大，更易产生驼峰.较少的叶片设计，则会降低叶轮工作性能参数.该种类型泵的叶轮一般采纳5～7扇叶片，若选取数量较少，那么应恰当增加叶片包角.3.2 叶轮叶片进、出口角的选择3.2.1 叶轮叶片进口角的选择该类型泵具备明显的粘性效应，对此，叶片入口角的度数要加大.离心泵的叶片厚度较小，考虑对包角的影响，可以增加一个冲角Δβ，冲角通常选择3°～15°.选用正冲角能够增加叶轮抗汽蚀能力，并不会过大干扰叶轮的效用.采纳加大的叶片入口角，能有效降低叶片的卷曲水平和入口处流体的排挤.另外，研发中采取正冲角能使液体在流道间低压侧的非工作面造成脱流，且难以向高压区扩散，能抑制住旋涡的出现区域，进而能够缓解空化的危害.由于粘性效应的参与，离心泵的包角一般设计的比较大.如果不改进叶片进口角的大小，使得叶轮出口较小而叶片包角过大，其结果往往是在叶片出口产生严重的脱流现象，增加扬程的损失.3.2.2 叶轮叶片出口角的选择叶片出口角β2的大小干扰着泵的性能，当叶轮直径一定时，β2的选取有如图4几种干涉情况：β2的大小常取18°～40°之间，若β2大于或等于90°，叶轮效能的消耗就会同流量的增长而增长.同时，因轴功率变大也将导致原动机更易超载.设计低比转速离心泵叶轮时，采用较大的出口角，虽然可以增加扬程、减小叶轮的直径，从而降低叶轮的圆盘摩擦损失，以此提高叶轮的工作效率.但是，较大的出口角在流量相同的情况下，叶轮出口处速度加快，使得流体在压水室内的容积损失增大.而且，随着β2的增大，其相对速度降低，流动扩散损失也更加巨大.在这种情况下，具有流量小的特点的低比转速离心泵，更易于使扬程特性曲线发生驼峰.3.3 叶片包角的选择对泵的影响该类型泵采纳的圆柱形叶片设计，使得包角可以选择的数值区间过大，常常使研发者产生困惑，很多长年研究的设计者也只能凭经验来选取包角的数值大小，而且流道狭长更加导致设计者对包角选取的重要性.一般情况下，采用较大的包角，能减轻液体流动扩散的现象，流场情况也更靠近叶片形式，增大离心泵的性能利用.但是，在确定离心泵外径的数值后，增大所设计的叶片包角，则使两叶片间的流道加大，因而增大了圆盘摩擦损耗而使泵使用效能有所降低.若选取的包角过小，又将导致叶片的重叠度降低，不利于对液体流动有用的流道地方的设计.3.4 叶轮主要参数的水力设计叶轮主要几何参数有叶轮进口直径Dj、叶轮出口直径D2、叶轮进口宽度b1、叶轮出口宽度b2、叶片进口角β1、叶片出口角β2、叶片数z等[8，9].4 低比转速离心泵叶轮的CFD分析4.1 三维模型的建立低比转速离心泵的CFD分析法不同于试验观测设计法，不需要设计者投入大量的资金生产制造样机，并以实际的测试结果计算产品的性能.试验观测法经常为获得一个优秀的离心泵水力设计而反复的制造样机以寻求较好的设计结果，这无疑给产品带来了较长的设计周期，严重影响工业的发展.CFD分析法通过对所设计的设备参数进行三维模型的绘制，利用计算机技术对模型进行数值模拟，快速准确地计算出产品的工作性能.图像显示的优点可以清楚而直观的分析出流场的存在形势.根据设计参数绘出模型如图5所示.4.2 湍流模型湍流是一种十分常见的现象，它是一种即对空间不规律又对时间无次序的表现.科学上利用雷诺数的大小对流体流动形式作出简单的鉴别，通常对管内的流体，在雷诺数低于2300是被认为是层流，2300至4000则被认为是过度流，而当这一数值大于4000时则被归于湍流.由于湍流是一类较为繁杂的非线性流动形式，成为当今科研人员研究的热门方向.本文对叶轮内流体的流场模拟选用k-ε模型，此模型在解决湍流模型的问题上具有更好的准确性和经济性，因此，在流体分析中的应用更为广泛和成功.4.3 网格划分流体运动大多伴随着复杂的流动问题，不规则的模型和流动區域加大了计算难度.因此，对离心泵叶轮的三维模型做数值模拟时，第一步就是将模型进行网格划分，即对空间上一系列连续的计算区域划分成多个子区域.网格划分的细腻程度是数值计算和显示云图是否精确的前提[10，11，12]，而网格生成越精密又对计算机的性能需求越大，就需要耗费更多的时长.划分网格是连接三维模型和数值计算的桥梁，建立正确而合理的网格数量能提高计算效率和分析精度.图6为网格划分后的叶轮模型.网格划分一般可分成结构化网格、非结构化网格及混合网格[13].（1）结构化网格的单元与节点是规则排列的，而且每一个节点的领点数量也是相同的.这使得在网格划分时网格的生成速度较快，边界拟合实现更加容易以及操作简单.但是，这种划分方式仅适用于规则简单的模型，适用性大大降低;（2）非结构化网格的单元及节点成无规则排列，因而，对它们的可控性更优，能够更好的解决边界问题.这种方法在划分时可做到优化分辨，可以划分出高品质的网格，提升结果的适用性[14].但是，这种划分方法不能很好地解决粘性，而且对同一模型，它的划分效率低;（3）混合网格，前面两种网格划分方式都有其不足，为了能获得更好的模拟结果，混合网格技术就越来越得到工程师的重视.这种划分方式灵活性高，可改善网格的自适应性，广泛的应用于解决复杂边界问题的模型中[15].4.4 性能预测将网格划分后的模型设定合理的边界条件及数值进行计算后，得到流体的流线分布图、压力云图以及速度云图.。