基于CFD混流泵内流场数值分析

　　0 引言

　　在现代水泵系统设计中,随着对耐腐蚀、高效率、低噪声、轻量化和运转平稳要求的增加,减少腐蚀破坏和减小振动噪声变得越来越重要.混流泵比转速 较高,介于离心泵与轴流泵之间,具有结构简单、使用可靠、效率高等优点,具有广阔的工程应用前景,尤其在制碱业作为冷析循环泵,将得到广泛应用.由于水力 机械内部的流动在多数情况下处于湍流状态[1],所以研究起来较为困难.近年来,随着计算机及CFD技术的迅速发展,国内外对水泵内部的三维粘性流进行了 数值模拟研究[2-5],较为详细地分析了水泵流场的流动特性,从而为其性能预测、优化设计提供可靠的、有价值的理论依据.

　　本文应用CFD软件,采用三维定常不可压缩雷诺时均方程、标准的k-E两方程湍流模型,用基于非结构网格SIMPLE算法进行压力与速度的耦合 计算,对混流泵内部流场典型的工况进行压力、速度分析,从而预测混流泵流量-扬程曲线和流量-效率曲线,并与实验曲线进行对比,验证分析结果.

　　1 模型建立及网格划分

　　1.1 混流泵内部流场区域的建立

　　本文以HGAP55-60型号混流泵(用作制碱业冷析循环泵)为研究对象,主要设计参数如下:转速n=580 r/min,叶片数z=4,叶轮外径d=623mm,入口直径Din=550mm,出口直径Dout=660mm,入口安放角B1=26b.根据其结构参 数及叶片模型图,利用PROE软件,采用由下到上的方式,即由点到线、线到面、面到体的方法对混流泵进行整体造型.其中,叶轮叶片是高度扭曲的空间曲面, 如图1所示.

　　流场计算区域采用全流道计算域方法,即泵整体外壳实体减去泵内叶轮以及轴等流体无法穿过部件所得到实体部分,如图2所示.

　　1.2 网格生成

　　计算网格的合理设计和高质量生成是CFD计算的前提条件,同时也是影响CFD计算的关键因素之一.网格质量的好坏直接影响到数值计算的精度,甚至于计算过程的成败[1].本文采用GAMBIT软件进行网格的划分,并且将混流泵的

　　流体区域分为三个互相连接的部分,即进口区域、叶轮旋转区域、出口区域.其中,整个流道由于其结构较为复杂采用混合网格,并且网格总的质量良 好,网格质量的最小值为0. 74.具体网格如图3所示,计算单元的总网格数约为126万,其中进口区域单元数约18万、中间旋转区域单元数约为30万,弯管出口区域约77万.

　　2 控制方程和边界条件

　　2.1 控制方程

　　对于混流泵中不可压缩流体的恒定流动,根据Boussinesq涡粘性假设,连续性方程和动量方程、k方程、E方程写成如下通用形式:

　　其中Φ为通用变量,可以代表u、v、w等求解变量;S为广义扩散系数;S为广义源项.