基于OpenFOAM的离心泵内部流动数值模拟.docx

文章编号: 1005-0930( 2012) 06-1042-009 文章编号: 1005-0930( 2012) 06-1042-009 doi: 10． 3969 / j． issn． 1005-0930． 2012． 06． 010 中图分类号: TH311 文献标识码: A 基于 的离心泵 OpenFOAM 内部流动数值模拟 芸1 ， 刘厚林1 ， 吴登昊1 ， 谈明高1 ， 舒敏骅2 任 ( 1． 江苏大学流体机械工程技术研究中心，江苏 镇江 212013; 2． 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240) 摘要: 分析了离心泵内流模拟中存在的问题，指出开源 CFD 软件是提高离心泵 内流模拟精度的必然选择． 通过在开源计算流体力学软件 OpenFOAM 的求解器 中添加 GGI 动静耦合处理程序，实现了 OpenFOAM 在泵内流数值模拟中的应 用． 应用修改后的 OpenFOAM 求解程序对一比转数为 117． 8 的离心泵不同工况 下的内流场进行数值模拟，并将数值计算结果与试验结果进行了对比，同时分析 了叶轮内部流场的分布规律． 研究结果表明，设计工况下的计算扬程相对误差最 小，约为 － 3． 5% ，而小流量工况下误差最大 － 6． 4% ; 各工况下的计算效率绝对 误差范围均在 － 0． 5% 以内． 这说明设计工况下的模拟结果优于非设计工况下的 计算结果． 同时，叶轮内部压力分布和相对速度分布规律符合离心泵内部流动的 一般规律． 关键词:OpenFOAM;离心泵;内部流动;数值模拟 泵是应用最广泛的通用机械之一，也是最为耗能的通用机械之一． 因此，运用 CFD 技 术进行泵内部流场模拟，并借以改进泵性能的研究屡见不鲜［1-3］． 目前，关于 CFD 软件主 要分为商业软件和开源软件，商业 CFD 软件以其丰富的功能与良好的易用性和通用性走 进世界各地的计算机系统［4-6］． 但商业软件专业性不强，对于泵 CFD 计算结果很多时候并 不是十分理想，特别是对于泵偏工况下流动特性的捕捉． 导致这一问题的最重要原因是数 值算法． 以离心泵内流模拟最主要的方法雷诺时均法为例，数值算法主要包括湍流模型和 压力速度耦合算法等． 比如湍流模型的模化方式和 SIMPLE 算法界面插值方式等对离心 泵内流模拟有着很大的影响［7-8］，而现有商业软件虽具有 UDF( User-Defined Function) 功 能对之也无法进行修改． 因此，要进一步提高离心泵内流模拟的精度，开源 CFD 软件是必 然的选择． 在众多开源计算流体动力学软件中，OpenFOAM 因为其强大的功能、层次分明的架 收稿日期:2011-10-18;修订日期:2012-02-27 基金项目:国家自然科学基金( 51109095 ; 江苏省博士创新基金( CXZZ12 _0677 ) ; 江苏省“333 高层次人才培养工程”; 江苏省“六大人才高峰”和江苏省产学研前瞻性研究项目( BY2011140) 作者简介:任 芸( 1985—) ，女，博士研究生． E-mail: renyun_ry@ hotmail． com 通信作者:刘厚林( 1971—) ，男，研究员，博士生导师． E-mail: liuhoulin@ ujs． edu． cn 任 芸等: 基于 OpenFOAM 的离心泵内部流动数值模拟1 任 芸等: 基于 OpenFOAM 的离心泵内部流动数值模拟 1043 No． 6 构、良好的拓展性以及统一的书写格式在众多开源 CFD 软件中脱颖而出． 国内外的学者 基于此开源软件对流体机械内部流动的研究已经开展，Nilsson［9］对 Hǒllerforsen 水轮机尾 水管进行了定常流动计算，将 OpenFOAM 计算结果分别与 CFX-5 的计算结果和试验结果 进行了比较，验证了 OpenFOAM CFD 软件在轴流转桨式水轮机转轮和尾水管湍流计算中 的实用性． Petit［10］利用 OpenFOAM 对带有叶片扩压器的二维离心泵内定常和非定常流动 进行了计算，分别采用冻结转子法和滑移网格法考虑动静部件间的相互作用，试验证明这 两种方法可以正确的捕捉到泵内流动现象． 李孙伟［11］采用 OpenFOAM 进行了风洞边界层 风场的模拟，通过模拟验证了 OpenFOAM 的有效性． 目前，关于 OpenFOAM 模拟三维泵内 部流场的研究还很少，特别是国内在这方面的文献报道几乎为空白． 本文以 OpenFOAM 中的 MRFSimpleFoam 求解器作为计算基础，通过在该求解器中添 加动静部件的交界面处理方式，实现了对离心泵内部流场进行定常数值计算． 结果表明， 改进 后 的 Ope