离心泵内部湍流流场的数值模拟

离心泵内部湍流流场的数值模拟

*

刘威 袁寿其 陈士星 吴涛涛 潘中永

（江苏大学流体机械工程技术研究中心 镇江 212013； 国家水泵及系统工程技术研究中心 镇江 212013）

摘要：针对离心泵在非设计工况下出现的内部流动不稳定性，同时为了研究泵内部湍流流动机理，运用Fluent 软件采用标准

ε

−k 方程对离心泵内部流场区域的速度分布、压力分布进行了数值模拟计算，对离心泵中进口段、叶轮进口及叶轮流道中

的流体速度分布进行了分析，得出了相应流动规律。计算了该离心泵在设计工况以及比流量在0.9至0.2时各小流量工况下流道内的流动情况并进行了分析和对比，得出在小流量工况下流道内出现漩涡并且随着流量的减小漩涡出现的流道随之增多，进口处出现漩涡位置提前，同时其内部流动更加复杂。结果表明小流量时叶轮流道内产生严重地回流，且部分流体回流至进口，破坏了进口处入流的均匀性，叶轮流道内产生了很大的漩涡区，各个流道的流动极其不均匀。最后结合文献，本文提供了减少漩涡及抑制漩涡的方法。

关键词：离心泵 漩涡 内部流动结构 数值模拟 中图分类号：TH311

Numerical Simulation on Internal Turbulent Flow Field in

Centrifugal Pump

LIU Wei YUAN Shouqi CHEN Shixing WU Taotao PAN Zhongyong

(Research Center of Fluid Machinery Engineering and Technology, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China National Research Center of Pumps and Hydraulic System Engineering and Technology, Zhenjiang 212013,

China)

Abstract ：Due to the unsteady inner flow at off-design conditions and for research the mechanism of inner turbulent flow within centrifugal pumps ，The velocity and pressure distribution of inner flow region in centrifugal pumps were investigated by Fluent and Realizable

ε

−k turbulent model, the fluid velocity distribution of inlet pipe , impeller eye and the passage was analyzed, then the

flow principles were obtained. The flow principles at the flow rate of d Q 、9.0/=d Q Q and 2.0/=d Q Q were calculated and analyzed ，

Swirls were found in the passage at low flow rate ,with the lower flow rate, the more swirls and the inlet swirls positions push ahead, also more complex inner flow were obtained. The results show that there exists severe back flow in the passage at low flow rate and part of back flow turn back to inlet leads to non-uniformity of the inlet flow, tremendous swirls region in the impeller passage was found and the flow of each passage extremely un-uniform. Finally, Based on other literatures, it suggests one possible way to suppress the rotating stall in the pumps.

Key words: Centrifugal pumps ；Swirls ；Inner flow structure ；Numerical simulation

0 前言

近年来，作为旋转机械的离心泵已经广泛地应用于核工业、农业、石油化工以及低温输送等领域。但其运行会消耗大量电能，因此，对其深入研究，改善离心泵的流动进而提高其运行效率，一直是泵领域研究的热门问题。

离心泵叶轮内部的流动是复杂的三维湍流运动，流动规律受到叶片曲率、叶轮旋转及其边界条件的影响。目前在研究其内部流动时多采用试验测量和数值模拟两种主要手段。特别在装置条件和变

* 国家自然科学基金资助项目(50825902) 工况的影响下，会出现湍流、流动分离、空化、旋转失速、二次流等很多设计工况下所没有的流动现象[1,2]。这些流动不稳定现象给离心泵的运行造成了很多危害，严重时甚至会影响泵的正常运行。因此，分析叶轮内部流动状态，对于设计以及改进泵在非设计工况点的性能，有着十分重要的意义。近年来，随着计算机技术的日益发展，其运算速度和存储能力迅速提高，数值计算方法的研究也逐步深入，使人们有可能利用微型计算机，采用数值模拟的办法来分析泵内部流动[3,4]。到目前为止，已经有很多学者采用数值计算的方法对泵内部流动进行了研究[5-7]，取得了一定的成果。在研究中发现，