CFD方法在流体机械设计中的运用分析

CFD方法在流体机械设计中的运用分析
摘要：对原有离心泵叶轮改造是改善离心泵内部流场流动，减少流动损失，提
高水力效率的重要手段之一，应用CFD数值模拟软件对对中、低比转速离心泵改
型前后在设计工况下数值模拟，分析速度和压力，揭示短叶片对两种离心泵内部
流动的改变。

研究表明：添加短叶片对两种离心泵长叶片非工作面都有补流作用，有效控制液体分离、脱流现象，减小叶轮和蜗壳内压力梯度变化，减少能量损失。

外特性方面，添加短叶片后两种离心泵扬程和水利效率分别提高3.1%和9.1%、15.8%和2.8%。

关键词：离心泵；叶轮改造；短叶片；数值模拟
1 引言
离心泵作为一种重要的流体运输和能量转换设备，被广泛的应用于国民经济
的各个领域，按照比转数分为低比转数（）、中比转数（）、高比转数（），其中，中、低比转数应用最为广泛，在农业灌溉、化工流程、冶金、石油及航天工
业等领域发挥重要作用，它们的技术性能直接关系到生产效率[1-2]。

按照常规设计，离心泵会出现不同的能量损失。

低比转数离心泵具有扬程高、叶轮直径偏大、出口宽度窄小、叶轮流道窄而长等特点，在运行时，叶片非工作面会出现分离、
脱流现象，有时出口处还会有二次回流现象发生。

为改善这种能量损失，可以减
小叶轮直径，但会出现新的能量损失，叶轮出口角增大，流体流动不稳定，扩散
现象严重，扬程达不到标准。

随着比转数变大，中比转数离心泵具有扬程较低，
叶轮直径较小，出口宽度较大，叶片翼型进口为扭曲形式出口为圆柱形式等特点。

为提高扬程和水利效率，可以增加叶片数量，但叶片数量增加会造成叶片排挤严重，进出口流道面积变小，排挤严重，产生新的能量损失。

为了提高水利性能，
研究表明在叶轮原有长叶片之间合适位置添加短叶片能够解决以上问题。

近年来，随着科学技术的不断发展，国内外学者在短叶片的设计及安装位置取得了大量的
设计经验，在流体流动及外特性试验分析取得了理论和实践依据，但随着计算机
内部流场模拟软件CFD的快速发展，添加短叶片后对内部流场流动的影响研究还
不充分[6-8]。

本文采用Pro/E软件对两种离心泵进行三维建模，采用CFD软件对
离心泵内部流动进行模拟分析，对比两种离心泵在添加短叶片前后对内部流场的
影响及作用，观察内部流动的变化。

根据对比分析及计算结果可知，添加短叶片
能够减少能量损失，提高水力效率，达到节能目的。

2 三维实体建模及参数设定
2.1建模
离心泵结构复杂，本文采用大型造型软件Pro/E进行实体造型，建模部分包
括进口段延伸、叶轮、蜗壳和扩散段延伸。

低比转数离心泵（设为1号离心泵，
以下，短叶片的翼型设计要与长叶片翼型完全相同。

2.2网格划分
由于采用由点生成线、线生成面、面生成体的建模思想会产生很多细面，本
文采用CFD软件进行网格划分，首先细面合并，采用四面体非结构网格，对模型
进行网格划分，然后检查网格歪斜度，没有负网格。

2.3控制参数
离心泵叶轮是旋转区域，进口段延伸及蜗壳属于静止区域，本文选用叶轮区域运
动方式为Moving Reference Frame（按照参考系运动方式），同时给定旋转速度
和选择运动方向，采用三维定常湍流压力求解计算、湍流模型控制方程选用标准、
速度和压力的耦合选取SIMPLEC，压力离散格式选Standard格式，动量离散、湍
动能离散和湍流耗散率离散格式都选取二阶迎风格式（Second Order Upwind），
以提高计算精确度，迭代计算过程中要监测残差曲线变化，并根据具体情况调整
松弛因子系数。

2.4边界条件的设定
本文入口边界选用速度进口（Velocity-inlet），可以根据给定的流量及水力直径计算流速，出口边界选用自由流出（Outflow），耦合面有进口段延伸与叶轮进口、
叶轮出口与蜗壳进口两处设置交界面，叶轮设置旋转壁面，其他为默认固定壁面。

3 数值模拟外特性计算
3.1扬程计算
离心泵扬程计算公式如下：
4 结论
(1) 添加短叶片对中、低比转数离心泵叶轮内部起到导流的作用，有效的改善
了离心泵内部流动情况，降低了压力波动，从而使液体流动平稳，减少了流动损失。

(2) 改进后，对低比转数离心泵长叶片非工作面起到了一定的补流作用，有效控制了长叶片非工作面液体的脱流、分离现象，同时也降低了冲击损失，流动状况趋
于理想状态。

对中比转数离心泵，叶轮出的排挤系数增大，扬程得到大幅度提高，液体流动状况得到更好的改善，同时叶轮进口压力没有出现负压，对汽蚀也有所
改善。

(3) 在设计工况下，添加短叶片的中、低比转数离心泵扬程分别提高了15.8%、
3.1%，水利效率分别提高了2.8%、9.1%，可以看出中比转数离心泵扬程提高较大，低比转数离心泵效率提高较大。

新型离心泵以高效节能为主要目的，效率的增加
是主要考虑因素，所以在低比转速离心泵中添加短叶片相对最为合适。

6 参考文献
[1] 崔宝玲，朱祖超，陈鹰，林勇刚.长中短叶片离心叶轮内部流动的数值模拟[J].
推进技术，2006，27（3）：243-247.
[2] 洪文鹏，刘涛，邢晓飞，邓广强.柱形偏置短叶片低比转数离心泵数值模拟研
究[J].化工机械，2015，42（3）：413-417.。