低比转数离心泵内部非定常流动特性数值预测_裴吉

2014年1月

doi：10．6041/j．issn．1000-1298．2014．01．013

农业机械学报

第45卷第1期

低比转数离心泵内部非定常流动特性数值预测

裴

吉

王文杰

袁寿其

孟

凡

陈

佳

（江苏大学流体机械工程技术研究中心，镇江212013）

*

摘要：为了深入研究低比转数离心泵在运行过程中内部的非定常不稳定流动现象的内在机理，采用CFD数值模拟的方法对模型泵内部三维湍流流场进行数值计算，并根据离心泵速度三角形推导了用来直观定量衡量流动非定常强度的时均非定常强度系数。通过分析该时均非定常强度系数在低比转数模型泵中的分布可知，叶轮叶片背面附近流场非定常性较强，且流体流经叶片后缘产生的尾迹现象同样随时间波动明显。蜗壳流道出口管及靠近叶轮出口处流动非定常性较强。关键词：离心泵

低比转数

非定常流动

数值计算

1298（2014）01-0079-05文章编号：1000-中图分类号：TH311；O351．2

文献标识码：A

引言

离心泵被广泛应用于石油、化工、水利等工农业领域，也是航空、舰船、潜艇等高技术装备的关键设备。离心泵中叶轮与蜗壳隔舌或导叶间的相互作用会在叶轮下游的压水室内产生时变的不稳定流动以

［1］

及压力脉动。而非定常流动是影响离心泵稳定运行的一个主要因素，离心泵的旋转和静止部件都会受到非定常流动所产生的时变水力激励作用，进而产生流动诱导振动现象，这会使泵部件的材

影响机器寿命。此外，在存在声音传播介料疲劳，

质的条件下，非定常流动还会产生流动噪声并传

播，不仅影响环境质量，对于隐秘性极高的潜艇等国防设备，更是降低了其隐秘的特性。因此，深入研究离心泵复杂的非定常流动特性对于建立低压

低振动噪声的离心泵水力设计方法，在泵力脉动、

设计阶段有效地抑制流动诱导振动噪声的发生是

十分有必要的。

对于动静干涉引起的水泵非定常流动现象，学

［2～17］

。通者们进行了大量的数值仿真和试验研究

过对研究文献的分析可知，对非定常流场计算结果

的处理往往较为简单，不能很好且深入地发现非定常流动的内在分布规律。为了定量、直观地得到离心泵内部流动的非定常强度，分析非定常流动的强弱分布，本文根据速度三角形推导来衡量非定常性的速度非定常强度系数和湍流强度系数，利用CFD

求解UＲANS方程，得到动静干涉作用下的流动非

定常强度分布，对叶轮流道和蜗壳流道内的非定常性分布进行分析。

1

1.1

数值计算模型与方法

模型泵参数

50-160单级单吸离心本文采用低比转数IS65-泵，图1为模型泵结构示意图。比转数ns=65.6，叶轮形式为后掠扭曲叶片，蜗壳为螺旋型，叶轮与蜗壳间隙为6.7%，表1为泵的几何和性能参数

。

图1Fig．1

模型泵结构示意图Structureofmodelpump

1.2控制方程与数值计算方法

本文研究的离心泵流场主要是由动静干涉作用引起的周期性非定常流动，是复杂的不可压三维粘性湍流流场。其控制方程为雷诺时均方程

01-09修回日期：2013-01-26收稿日期：2013-*“十二五”51009072）和江苏大学高级人才启动国家科技支撑计划资助项目（2011BAF14B04）、国家自然科学基金资助项目（51239005、

基金资助项目（13JDG084）E-mail：jpei@ujs．edu．cn作者简介：裴吉，助理研究员，博士，主要从事流体机械非定常流动特性及流固耦合研究，

E-mail：shouqiy@ujs．edu．cn通讯作者：袁寿其，研究员，博士生导师，主要从事流体机械及排灌机械研究，

80

表1Tab．1

泵的几何和性能参数Geometryandperformance

农业机械学报2014年

parametersofthepump

参数

泵进口直径Ds/mm叶轮进口直径Dj/mm叶片出口宽度b2/mm出口安放角β2/（°）蜗壳进口宽度b3/mm比转数ns

设计扬程Hd/m泵出口直径Dd/mm叶轮出口直径D2/mm叶片数Z

蜗壳基圆直径D3/mm隔舌安放角φ0/（°）h－1设计流量Qd/m3··min－1转速n/r

数值65657372065.63250165617626252900

图2Fig．2

流体计算区域网格

（b）蜗壳流道

Calculationgridoffluiddomain

（a）叶轮流道

i

=0xi



（ρij）=xj

ij

++μxixixjxi

ij2

++ρij=－μ

3xjxi

－

（1）

将定常计算结果作为初始条件，时间步为叶轮每旋

－4

转3°的时间，Δt=1.724×10s，总时间t=0.124s，即叶轮旋转9圈，选择第9个周期的结果对模型离心泵周期流场非定常性进行分析。

[(

()

)－ρ]+F

u

δ(ρk+μx)

ij

it

i

i

（2）（3）

2离心泵流场非定常性计算方法

ij

为了直观地衡量离心泵内部由叶轮蜗壳相互作

用产生的周期性湍流流动的非定常强度，根据文2］Su和湍流强定义了速度非定常强度系数Iu、献［

度量系数Tu，计算式为Iu（x，y，φ）=

式中

——液体密度ρ—

ij———雷诺时均速度———雷诺时均静压u'u'——脉动量i、j—

——湍流涡粘度μt—

——动力粘性系数μ—xi、xj———笛卡尔坐标系坐标变量——Kronecker函数δij—

Fi———体积力

2

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