叶片数对离心泵内部流场及其稳定性的影响要点详解.doc

中国工程热物理学会 流体机械 学术会议论文 编号：147058 叶片数对离心泵内部流场及其稳定性的影响 窦华书,郑路路,蒋威,陈小平,朱祖超,崔宝玲,李昳 （浙江理工大学 机械与自动控制学院，浙江 杭州 310018） （Tel: Email: huashudou@) 摘 要：本文对离心泵进行三维数值模拟，研究了不同叶片数对离心泵内部流场以及外特性的影响。研究结果表明：叶片数过多时，流道增加，流道内部损失也相应增大，流体获得的总功减少，从而使得扬程和效率下降。对本文所研究的离心泵模型，发现在大流量下，当叶片数为5时，效率最高，稳定工作区域大，综合性能最好。从能量梯度函数K值的分布，发现K值在流道吸力面出口附近较大，这表明流动主要是先从叶轮的吸力面出口开始失稳的。 关键词：离心泵；叶片数；能量梯度；数值模拟 0 前言 离心泵作为重要的能量转换和流体输送的能量提供装置，被广泛应用于国民经济的各部门以及航空航天等尖端技术领域。因此，提高泵的效率，扩大其稳定运行范围，提高运行的安全性和可靠性，对国民经济、节约能源和环境保护有重要的影响。目前很多学者[1-4]对离心泵三维流动进行了数值模拟，用数值模拟方法研究离心泵内流场已成为改进和优化离心泵的重要手段之一。国外B. Jafarzadeh等人[5]对高转速下的离心泵进行了数值模拟，研究了standard 、RNG 以及RSM三种模型对离心泵数值计算精确性的影响，并且也研究了不同叶片数对离心泵性能的影响。结果表明，RNG 模型的计算结果与实验结果有最好的一致性，且7叶片离心泵有最好的扬程系数。国内，刘厚林等人[6]对叶片数对离心泵的性能以及内流场的影响进行了研究，文中分别对4、5、6、7叶片离心泵进行数值模拟，结果表明离心泵的扬程随着叶片数的增加而增大，叶片数为5的离心泵的综合性能最好。 虽然已经有不少关于离心泵叶片数的研究，但叶片数对离心泵的特性以及内流场的影响还不是很清楚。本文利用三维数值模拟的方法研究内流体的流动特性，得了全流场的参数分布应用能量梯度对进行处理，获得Navier-Stokes方程，湍流模型采用RNG 湍流模型。数值方法为有限体积法和SIMPLE算法[7-13]提出了一种用于分析流动失稳和湍流转捩问题的新方法-能量梯度方法。根据能量梯度方法，的能量梯度值的计算公式为： (1) 式中为，为流体流动的法线方向，是每单位体积的流体沿流线方向运动时产生的能量损失流体流动的流线方向。 (a) Z=3 (b) Z=4 (c) Z=5 (d) Z=7 图 5 中心平面上叶轮相对速度图 2.4 流道内压力分布 (a) Z=3 (b) Z=4 (c) Z=5 (d) Z=7 图 6 中心平面上叶轮压力图 图6为3、4、5、7叶片离心泵在叶轮中心平面上的压力分布。叶片吸力面部分出现的低压区，是空化易发生的部位。当Z=3时，3个流道进口吸力面附近均存在低压区。当Z=4和 Z=5时，可以在两个流道内发现低压区。当Z=7时，几乎7个流道内进口部分都存在一个很明显的低压区。叶轮入口处低压区的产生是由于水流绕叶片头部时，流体加速转弯，流速加快，导致在叶片进口处形成叶轮内的低压区，随后由于叶轮旋转使得叶轮通道内的水流随半径的增大而逐渐增多，压力逐渐增大。随着叶片数的增加，低压区的面积也在增大，同时这也表明叶片数对离心泵的空化有一定的影响。图7中（a）、（b）、（c）、（d）分别对应图6中（a）、（b）、（c）、（d）中标注为1的流道中的压力面和吸力面的压力分布。总体上，压力面一侧的压力值大于吸力面一侧的压力值，且均在流道出口部分取到最大值。造成这一现象的原因是，叶轮入口处靠近吸力面的位置存在一个低压区，导致相同半径上压力面的压力值略大于吸力面的压力值。压力面一侧的压力值随着叶片数的增加而持续缓慢的增大，在出口部分取到最大值。在靠近流道出口时，压力面一侧的压力值增长速度有所减缓甚至出现负增长（如Z=3）。压力面头部的压力值随着叶片数的增加而减小。整体上，吸力面一侧的压力值随着叶片数的增加而增大。当Z=3、4、5时，吸力面头部的压力几乎没有变化，随着半径的增大，吸力面一侧的压力值也随之增大。这说明叶片数增加，低压区范围增大，使得压力面的压力值减小，对吸力面的影响不大。当Z=7时，吸力面头部压力值先减小，而后才随着半径的增加而增大。 流道中压力面和吸力