新型井泵内部流动的数值模拟

　　引言

　　前面我们对泵的设计进行了介绍 。本节通过三维建模软件Pro/e建立叶轮、导叶和泵体等部件的三维模型，利用商业CFD软件Fluent6.0对模型进行CFD数值模拟.

　　通过流场分析和性能预报，确定了4QJ8样机，结构如图1(b)所示。该结构采用拉杆连接泵体，用反导叶代替空间导叶，为加大叶轮外径提供充裕的空间。本文研究该模型的水力设计方法，以及CFD模拟的全过程。

　　1水力设计

　　1.1叶轮的极大扬程设计法

　　为了把井用离心泵的单级扬程提高到极大，设计时把叶轮前盖板的直径设计成与泵体内壁直径相同，如图2所示。对4QJ8型井泵来说，泵体外径的最大允许值为88mm，不锈钢泵体的内壁直径是83mm，就把叶轮前盖板的直径设计成83mm，叶轮前盖板与泵体内壁的间隙

　　由加工公差来保证。在确定了叶轮前盖板直径之后，再设计叶轮的其它参数，详细过程见前面的章节。

　　斜切叶轮出口，后盖板直径需要反复试验，达到理想尺寸时可以保证叶轮的自平衡，自平衡的内容需另拟文研究，4QJ8型井泵叶轮的基本形状如图2左图所示。

　　图1 叶轮和导叶轴面图

　　1.2进口边扭曲的径向导叶设计法

　　反导叶导流壳的水力设计是采用了一种导叶进口边扭曲的反导叶设计方法，工作面分三条流线计算，最后拟合形成光滑的空间曲面。

　　对背面D3(导叶出口最小直径)以内部分采用圆柱面，但导叶进口段叶片采用水力设计法分三条流线计算，造型时由流线拟合得到三维曲面。

　　2流场计算

　　2.1控制方程组

　　目前数值模拟已广泛运用于产品前期开发，预报性能，为研发人员提供形象的全三维流场效果，为改进设计提供参考。

　　深井离心泵的过流部件由进水节、若干级叶轮和导叶体组成。整机级数往往较多，不可能计算所有级，这里只计算一级进水节、叶轮、导叶桶体的内部流场。可以近似认为各级流动类似，其中叶轮以定角速度绕轴线旋转，进水节和导叶体固定不动。

　　采用固结于转动叶轮上的相对坐标系，此时叶轮内流动可视为定常流动，即内部流动各时均量不随时间变化，由进水节、叶轮、导叶桶体组成的整个流道内部流场为三维不可压稳态湍流场。

　　建立相对坐标系下时均连续方程、Navier-Stokes方程组并采用k-e双方程湍流模型来封闭。

　　2.2建立整体计算模型

　　2.2.1工作介质属性

　　在常温常压下，抽取介质为清水，清水密度为定值(ρ=998.2kg/m3)，动力粘度也为定值(μ=0.001003kg/(m·s))。

　　2.2.2实体造型及计算区域网格划分

　　在Pro/e中生成叶轮、导叶三维实体造型，如图2(a)、(b)所示。将Po/e生成的实体导入Gambit中，通过布尔运算得到整个流道的三维实体，再将整体流道划分为进水段、叶轮、导叶桶体流道三部分。

　　然后采用混合非结构化网格来进行各段流道的网格划分，得到如图2(c)所示的各段流道的计算区域和网格，网格总量为30万。

　　图2 实体造型及计算区域网格图

　　2.2.3 边界条件

　　(1)进口边界条件

　　叶轮进口前有圆柱形进水节，保证进口液流沿轴向均匀进入叶轮进口，即进口是无旋流动。

　　因此，其进口流速：

=2.363(m/s)。进口初始压力为一个大气压,即p1=1.01325*10e+5 pa.

　　(2)出口边界条件

　　在深井离心泵导叶出口处流速与压力均为未知，此处上游流动对下游流动的影响起绝对作用，因此出口边界条件设为出流(outflow)形式。

　　(3)固壁边界条件

　　壁面无滑移，对静止壁面，如深井泵桶壁面和反导叶壁面，速度为0;对旋转壁面，如叶轮前后盖板内外两侧和所有叶片的正反面，速度与壁面相同;壁面不考虑发热。对近壁面的湍流流动按标准壁面函数法处理。

　　(4)流动区域条件

　　采用动静双参考系处理各段流道中的水流运动问题，即分进水段、叶轮内部、深井泵桶体三部分区域在各自的旋转系下计算。叶轮流道区域采用旋转坐标系，旋转方向沿Z轴负向，转速为2850r/min，进水节和导叶桶体流道区域为静止系。相邻区域的交界面，即进水段与叶轮进口的交界面、叶轮出口和深井泵桶的交界面上速度场连续。

　　2.2.4数值算法及求解控制参数

　　压力速度耦合采用SIMPLE算法，采用二阶迎风格式离散差分方程。代数方程迭代计算采取亚松弛，各项系数分别为：压力亚松弛系数0.3，动量亚松弛系数0.7，湍动能亚松弛系数0.8，湍动能耗散率0.8。设定收敛精度为10-e-5.

　　3模拟结果的分析与性能预测

　　3.1内部流场的分析

　　3.1.1速度分析

　　由图(a)总体速度分布均匀，整体表现对称性，属于井泵固有的属性。

　　由图(b)、(c)工作面上速度较小，背面速度较大，但没有明显的旋涡和回流。

　　在进口处有一定冲击，不是非常明显，达到设计要求。

　　由图(c)叶轮出口和桶壁间隙内部流动主要是圆周运动。

　　由(d)图可见导叶背面(凸面)靠进口速度较小，有脱流的现象，进口有一定的冲击，程度不大。在靠近背面中部可以看到明显的旋涡，这是由于在很大的惯性作用下，水流在弯道内涌向了工作面(凹面)导致的。

　　由(e)图可见叶轮流道内部靠近前盖板侧速度较小，后盖板侧流速较大，在前盖板与泵桶间的小间隙内流动相当混乱，存在复杂的流动状态;叶轮出口水流与桶壁面间有冲击，但由于圆周速度很大，流动主要以圆周流动为主，沿轴向以螺旋方式进入导叶，

　　3.1.2 压力分析

　　由(a)、(b)图静压力分布由进口向出口均匀递增，在叶片尾部工作面压力达到最大，可以看到叶片背面靠近进口区域压力最小，出现负值，但达不到空化的程度。由(c)图工作面静压力很大，背面较小，由进口向出口静压力逐渐增大，表明动能已大部分转换为压力能。

　　由(d)图总压力代表总能量，由该图可见由叶轮进口向出口总能量逐渐升高，在叶片尾部靠近前盖板处能量达到最大，随后能量逐渐下降。

　　3.2性能参数预测

　　进口总压力P1=2643.199 (pa);

　　出口总压力P2 = 65346.984 (pa);

　　扬程H = 6.392(m);

　　叶轮总力矩M = 0.7099(nm);

　　效率：

65.77%;

　　与实际效率63%偏差不大。模拟中设定了前端面密封完全封死，即不存在漏损，因而效率偏高是在预料中的。

　　4结论

　　QJ型深井离心泵的扬程和效率比较低，研究新的模型逐渐被人们关注，本文采用新型拉杆结构泵，解决了QJ型泵螺栓连接的弊端，极大限度上增加了叶轮外径。

　　通过三维造型软件Pro/e做出叶轮、导叶及桶体等部件，通过商用CFD软件分析模型的流场，预报水力性能，经过一定的修改，确定了4QJ8模型。

　　经试验表明预报较为可靠。在水力设计中结合CFD流场数值模拟，可以节约成本，提高模型成功率，将逐步取代过去的通过经验估算的办法，成为今后设计的主要方法。