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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CFD的中高比转速离心泵叶轮的设计方法赵万勇;王磊;赵爽;王钊;杨登峰【摘要】Impellers of medium-high specific speed centrifugal pump were designed based on both the one-dimensional and two-dimensional design theory. Meridional velocity and velocity moments distribution on the blade were simulated numerically with Fluent. It was confirmed by analyzing these distribution curves that the distribution of meridional velocity on the blade based on one-dimensional theory was uniform along the flow passage cross-sectioa By means of two-dimensional theory and potential flow distribution method, an impeller with potential flow over the most part of the blade might be designed, but this approach was not yet The performance curve of pump could be obtained with CFD, hydraulic performance of one-dimensional theory-based impeller would be better than that of two-dimensional theory-based impeller. And velocity moments distribution on blade would be a key factor affecting the hydraulic performance of the two-dimensional theory-based impeller.%采用了一元理论和二元理论有势流动规律2种设计方法,对中高比转速离心泵叶轮进行水力设计.采用Fluent数值模拟,分别计算叶轮叶片的轴面速度和速度矩,通过分析叶片的轴面速度分布曲线和速度矩分布曲线,验证基于一元理论的叶片轴面速度并非沿过水断面均匀分布,二元理论有势流动设计方法可以设计出叶片内大部分流体满足轴面流动为有势流动的叶轮,但是设计方法尚不成熟.通过CFD计算可以得到泵的特性曲线,采用一元理论设计的叶轮的水力性能好于采用二元理论设计的叶轮,在用二元理论进行叶轮的水力设计中,速度矩分布规律曲线的选取对叶轮的水力性能影响很大.【期刊名称】《兰州理工大学学报》【年(卷),期】2013(039)002【总页数】4页(P35-38)【关键词】离心泵;叶轮;设计理论;轴面速度;速度矩【作者】赵万勇;王磊;赵爽;王钊;杨登峰【作者单位】兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州730050【正文语种】中文【中图分类】TH131离心泵的设计理论和方法目前尚不十分成熟，处于半经验阶段［1］，叶轮中液流的实际流动是十分复杂的三维非定常湍流流动，其流动规律及流动机理还未被人们充分认知，且很难用数学和流体力学的方法准确描述.当前迅速发展的叶轮一元、二元和三元设计理论，是建立在3种不同流动规律假设的基础上的，由于假设的规律和简化的方法不同，3种设计理论的设计思路和设计出发点各不相同.其中一元理论计算最为简单，设计资料和设计经验也最为成熟，是叶片式离心泵叶轮的主要设计方法，并被广泛应用；二元理论主要应用在混流式水轮机转轮和混流泵叶轮的设计中，取得了良好的效果；三元理论相比一元和二元理论更接近于叶轮内的实际流动，但是计算复杂，仍处于前沿研究课题，应用较少.这三种叶轮设计理论，从流动规律假设的角度看，三元理论优于二元理论和一元理论，从设计理论的成熟程度和计算难易程度看则刚好相反.计算流体力学（CFD）的发展，为人们进一步深入认识叶轮内流体流动规律及完善叶轮的设计理论和方法提供了新的途径，学者们的研究主要集中在混流泵、水轮机的二元理论和三元理论设计方法［2-5］，高比转速离心泵叶轮的相关研究较少.中高比转速离心泵叶片前后盖板曲线曲率较大，但低于混流泵叶片，设计上多采用一元理论.本研究用二元理论设计某中高比转速离心泵叶片，并与一元设计理论进行对比，分析叶轮内部流体流动规律，这对叶轮设计理论和方法的发展具有重要意义.一元理论和二元理论叶轮设计实质相同：根据假设的流动规律，求解出近似的叶片空间流线，作为翼型骨线，并按规律将其连成叶片.一元理论假设的流动规律为：轴面速度沿过流断面均匀分布；二元理论（ωu＝0）假设叶片轴面上的流动为有势流动，轴面速度随轴面流线和过水断面形成线两个坐标变化，在同一轴面截线上v u r等于常数［6］.本文在保证泵的设计参数和叶轮叶片轴面流道不变的前提下，先后用上述2种设计理论设计了某中高比转速离心泵叶轮，并进行数值模拟，分析其叶轮内部流体的实际流动规律.1 叶轮设计1.1 设计参数比转速n s＝186，流量q V＝0.111 m3／s，扬程H＝20 m，转速n＝1 450 r／min，必需汽蚀余量为2.95 m.1.2 水力设计经过叶轮水力计算确定叶轮进口直径D 1＝190 mm，叶轮外径D 2＝291 mm.绘制叶片前后盖板流线，并检查轴面液流过水断面面积A沿轴面流道中线长度L的变化曲线，如图1所示.图1 轴面液流过水断面面积变化曲线Fig.1 Variation curve of meridional wetted perimeter area1.2.1 轴面流线叶片一元设计理论和二元设计理论轴面流线绘制方法不同［7-8］，本文绘制了3条轴面流线a流线（前盖板流线）、b流线和c流线（后盖板流线），如图2所示，在保持前、后盖板和叶轮外径不变的前提下，采用二元理论绘制了2～4号叶轮叶片轴面流线.图2 叶片的轴面流线Fig.2 Meridional stream lines of blade1.2.2 轴面截线采用一元理论设计的叶轮为1号叶轮，其轴面截线如图3a所示.图3 叶轮叶片轴面截线Fig.3 Meridional intersection of impeller blade采用二元理论绘制轴面截线时的设计思路为等速度矩方法，需给定一条流线上速度矩v u r的变化规律，其设计经验相对较少，尚无成熟经验可以借鉴.因此本文以c 流线为基准分别选用三条变化规律曲线，设计了2～4号叶轮.2号叶轮借鉴的是混流式水轮机转轮上冠的速度矩曲线；3号叶轮借鉴的是1号叶轮水力设计计算出的c流线速度矩变化曲线；4号叶轮则借鉴了通过Fluent模拟计算出的1号叶轮的c 流线速度矩的真实变化规律.采用二元理论设计方法依次绘制2号叶轮、3号叶轮和4号叶轮的轴面截线，如图3b～3d所示.1.2.3 其他设计参数采用二元理论设计的叶轮，固定出口边位置和形状不变，其进口边即为叶片轴面截线，叶片进口角和出口角也随叶片型线而确定，包角度数随叶片轴面截线的条数而确定，叶片数根据叶片的长度与叶道的宽度的比值为经验常数而确定.2～4号叶轮的叶片数和包角依次为：11叶片，45°；9叶片，60°；8叶片，65°.1号叶轮叶片数为6片，包角为80°.4个叶轮的叶片均为均匀加厚，进口减薄.2 数值计算2.1 计算模型采用Pro／E进行4个叶轮的三维造型.控制方程使用雷诺时均N-S方程分析泵内湍流.计算区域模型包括泵的吸水室、叶轮和蜗壳，采用ICEM对模型进行非结构四面体网格划分，局部网格进行加密处理，网格质量良好，网格无关性验证满足要求，改变网格数对泵的性能影响不大.本研究计算模型模拟介质为清水，忽略黏性，采用标准k-ε湍流模型，压力和速度耦合方式选用SMPLEC算法，连续性方程、动量方程、湍动能方程及其耗散方程均采用二阶迎风格式离散计算.模拟采用多重参考坐标系，设叶轮流动区域为运动坐标系，其余流动区域为固定坐标系.2.2 边界条件进口边界条件采用速度进口，出口边界条件采用自由出流，叶片表面和轮毂等固体壁面上速度满足无滑移条件，固壁面附近采用标准壁面函数法确定.3 计算结果分析3.1 1号叶轮分析1号叶轮采用的是一元设计理论.一元设计理论假设轴面速度沿过流断面均匀分布（而实际流动并非如此），即同一过水断面上a、b、c流线的轴面速度相等.本研究设计的1号叶轮叶片的轴面速度（v m0）沿流线分布，以过水断面为横坐标绘制曲线如图4所示，Fluent模拟计算出的真实流场中的a、b、c流线的轴面速度（v m1）变化曲线见图4.显然，同一过水断面的轴面速度并不相等，验证了叶轮内实际流动规律并非轴面速度沿过水断面均匀分布.图4 1号叶轮叶片流线轴面速度变化曲线Fig.4 Meridional velocity distribution along streamline over blade in impeller 1＃3.2 2～4号叶轮分析2～4号叶轮采用的是ωu＝0的二元设计理论.叶轮二元有势流动设计理论（ωu＝0）认为轴面上的流动不是轴面速度沿过流断面均匀分布的一元流动，而是二元有势流动，理论上比一元理论完善.二元理论的重要性质为沿同一轴面截线上的速度矩为常数.本文采用Fluent模拟计算了2～4号叶轮叶片的速度矩，2～4号叶轮通过数值计算得到的叶片速度矩的变化曲线如图5所示.图5 叶轮叶片速度矩变化曲线Fig.5 Velocity moments distribution of blade in impeller从图5可以看出，4号叶轮叶片从第三轴截面开始，沿同一轴截面上的速度矩基本相等.可以看出4号叶轮内流体的真实流动为：从叶片中前部到叶片出口边，速度矩沿着轴截面均匀分布.而2号叶轮和3号叶轮在叶片中间部分的变化趋势虽然一致，但是沿同一轴截面的速度矩并不相等，所以2号叶轮和3号叶轮叶片轴面上的流动并非有势流动. 以上分析说明，本研究采用的ωu＝0的二元设计理论设计的三个叶轮的叶片内，流体速度矩的变化规律均与设计时给定的v u r变化规律不同，但是在设计的叶轮中，有一个叶轮（4号叶轮）在叶片大部分流道内流体为有势流动，较为符合二元ωu＝0的设计理论.因此，认为在采用二元有势理论设计叶轮时，在选用合适的v u r变化曲线的前提下，可以设计出内部流体在叶片轴面较为满足有势流动规律的叶轮.可见，采用二元理论设计叶轮时，速度矩曲线v u r的选取在叶轮二元设计方法和过程中起着十分关键的作用.3.3 性能分析1～4号叶轮泵的特性曲线如图6所示.可以看出，1、3、4号的H-q V曲线都较为平坦，但只有1号泵满足设计工况下扬程要求，3号和4号泵都达不到设计扬程；2号泵虽达到了设计扬程，但是H-q V曲线有小驼峰，性能不稳定.从P-q V 曲线看，3号和4号泵有驼峰，可实现无过载运行；1号和2号泵的功率则是随流量增大而增大.3号泵和4号泵的特性曲线整体较为相似，但是4号泵的效率要高于3号泵却小于1号泵.所以，1号泵的水力性能要好于2～4号泵.图6 泵的特性曲线Fig.6 Performance curve of pump可以看出，一元设计理论虽然不完善，但是设计方法和经验很成熟，所以设计的叶轮水力性能很好，得到了广泛的应用和推广.二元设计理论计算复杂，容易出错，设计方法和经验尚不成熟，因此本研究采用二元理论设计出的叶轮效率较低.在3个基于二元理论的叶轮泵中，4号叶轮泵的效率最高，分析其原因，认为在采用相同的水力设计方法的情况下，4号叶轮采用了较为合适的v u r曲线变化规律，从而获得了较好的水力性能，但是4号叶轮的扬程没有达到设计要求.因为叶轮进出口的速度矩值及分布对叶轮扬程有很大影响［8-9］，所以该叶轮在叶片进口边和出口边的速度矩v u r值的确定还需要作进一步的研究.二元设计理论和方法还有很大的研究空间，需要经验的积累和完善，尤其是基于二元理论的中高比转速离心泵叶轮的设计，如v u r曲线的选取和计算方法，叶片的进出口边位置和形状的确定，合适的叶片加厚方法等问题都有待研究.4 结论1）基于CFD方法，通过分析1号叶轮叶片的轴面速度曲线，验证了基于一元理论的叶片轴面速度并非沿过水断面均匀分布；通过分析2～4号叶轮叶片的速度矩曲线，发现只有在设计时给定合适的v u r分布规律的前提下，才能设计出叶片内大部分流体较为满足轴面流动为有势流动的叶轮.2）本研究中1号叶轮的水力性能好于2～4号叶轮，效率最高.可以看出，二元设计理论和方法远没有一元设计方法成熟，还需要进一步的研究和发展.在基于二元理论的3个叶轮中，4号叶轮的效率最高，水力性能最好，说明在采用二元理论设计叶轮时，速度矩曲线规律的选取对叶轮的水力性能影响很大.参考文献：［1］张永学，周鑫.泵叶轮数值研发理论的若干关键问题［J］.流体机械，2010，38（2）：35-40.［2］张勤昭，曹树良，王宏，等.速度矩分布规律对混流泵叶轮设计的影响［J］.排灌机械工程学报，2011，29（3）：194-198.［3］曹树良，梁莉，祝宝山，等.高比转速混流泵叶轮设计方法［J］.江苏大学学报：自然科学版，2005，26（3）：185-188.［4］谢蓉，单玉姣，王晓放.混流泵叶轮流动性能数值模拟和叶型优化设计［J］.排灌机械工程学报，2010，28（4）：295-299.［5］张礼达，陈冬冬，代应，等.斜流式水轮机转轮准三元设计方法研究［J］.水力发电，2006，32（5）：43-47.［6］齐学义.流体机械设计理论与方法［M］.北京：中国水利水电出版社，2008. ［7］关醒凡.现代泵技术手册［M］.北京：宇航出版社，1995.［8］曹鹍，姚志民.水轮机原理及水力设计［M］.北京：清华大学出版社，1991.［9］李文广，苏发章，黎义斌，等.轴流泵叶片设计中叶轮出口速度矩分布［J］.兰州理工大学学报，2005，31（3）：54-58.。
摘要本文将曲面造型与数值计算有机的结合在一起应用到离心泵叶轮的设计中。
采用二维造型得到计算区域，通过对离心泵叶轮内部流场的数值计算与分析，得到较好的离心泵叶轮。
本文主要对离心泵叶轮的计算公式进行研究，并对离心泵叶轮的尺寸进行计算。
建立了一个叶轮轴面投影图，为叶轮的绘型做准备。
选择一种适合的绘型方法，完成离心泵叶轮的绘型。
最后再利用PRO/E软件建立离心泵叶轮的三维实体模型,即完成了在PRO/E中的三维建模。
为了方便流场数值的模拟分析，使用Gambit软件对所得的三维模型进行划分网格，运用fluent软件做出边界条件并计算，再使用fluent软件对所设计的离心泵叶轮内三维流场进行了数值模拟，并对计算结果进行了分析。
而后采用基于标准k一e湍流模型来求解，在非结构化网格中，采用基于有限元的有限体积法对方程进行离散，用压力校正法进行数值求解。
利用湍流模拟结果，分析了离心泵叶轮进口边位置对泵性能的影响。
由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而fluent能达到最佳的收敛速度和求解精度。
本文结合实例和经验，通过对离心泵叶轮CFD计算结果的分析，说明所设计的叶轮是成功的。
关键词：离心泵叶轮；PRO/E；三维建模；数值模拟；计算流体动力学（CFD）Title Based on PRO / E centrifugal impeller three-dimensional modeling and numerical simulationAbstractThis article will surface modeling and numerical computation applied to the organic combination of centrifugal pump design. Be calculated using two-dimensional modeling area, through the centrifugal pump impeller Numerical calculation and analysis, get a better pump impeller.In this paper, the formula for centrifugal pump impeller to study, and calculated the size of centrifugal pump impeller. The establishment of a leaf axle plane projection, the drawing of the impeller to prepare. Select the drawing of a suitable method to complete the drawing of centrifugal pump impeller. Finally, using PRO / E software to establish the three-dimensional solid model centrifugal pump impeller, which was completed in PRO / E in the three-dimensional modeling.In order to facilitate numerical simulation analysis,the use of proceeds Gambit software mesh three-dimensional model,using fluent software to make the boundary conditions anf calculate,and then use software designed for fluent centrifugal pump impeller flow field is numerically simulation and calculation results are analyzed. Then based on the standard k a e turbulence model to solve, in the unstructured grid, finite element based finite volume method to discretize the equations using the numerical solution of the pressure correction method. Turbulence simulation using the results of analysis of a centrifugal pump impeller inlet side of the pump performance of the location. As a result of a variety of multi-grid solution method and the accelerating convergence technology, which can achieve the best fluent convergence speed and solution accuracy.In this paper, examples and experience, through the centrifugal pump impeller CFD analysis results, indicating that the impeller is successful. Keywords: centrifugal pump impeller; PRO / E; three-dimensional modeling; numerical simulation; computational fluid dynamics (CFD)目录基于PRO/E离心泵叶轮三维建模及流场数值模拟分析第一章绪论1.1论文研究的背景：泵广泛应用于国民经济的各个部门，它的技术性能对各相关行业影响巨大，长期以来采用“手工设计一样机生产一样机测试一设计修改”的生产路线，其不仅研制开发费用高，而且周期很长。
50文章编号：1001-3997（2009）01-0050-03机械设计与制造Machinery Design ＆Manufacture第1期2009年1月离心泵叶轮的三维CAD 系统设计及仿真王新华马永超吴婷（北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，北京100022）Design and emulation of 3-D CAD system on centrifugal pump impellerWANG Xin-hua ，MA Yong-chao ，WU Ting（College of Mechanical Engineering &Applied Electronics technology ，Beijing Universityof Technology ，Beijing 100022，China ）【摘要】针对我国离心泵CAD 的研究和发展趋势，建立了基于Windows 环境下的开放式、可扩充的低、中、高比转速离心泵叶轮三维CAD 设计系统。
根据离心泵水力设计原则，完成了泵参数设计模块、叶轮参数设计模块、叶片绘型模块及接口输出模块的设计，开发了一套参数化CAD 设计系统，实现了离心泵叶轮空间扭曲叶片的三维实体造型设计及仿真。
关键词：叶轮；CAD ；系统设计；仿真【Abstract 】Toward the trends in research and development of CAD system in centrifugal pump ，an medium and high specific open-ended 3-D CAD system of centrifugal impeller is established about low ，speed based on Windows environment. According to the hydraulic design principle of centrifugal pump ，the impeller parameter ，blade plotting as well as interface parameters out －design modules of pump parameter ，putting are finished ，and a set of parameterized CAD design system is developed. Thus the 3-D solid mass design and emulation of spatial warping blade in centrifugal impeller is carried out.Key words ：Impeller ；CAD ；System design ；Emulation文献标识码：A2]。
