摘要：本文利用計算流體力學CFD軟件,使用分離求解器和帶壁面函數(shù)標準模型的SIMPLE算法，分別對三個噴水推進泵模型的內(nèi)部流場，在八個不同工況下進行了數(shù)值模擬計算。根據(jù)計算結果對該水泵的性能進行了分析,從而說明所以采用湍流模型可用來描述泵內(nèi)實際流動;通過改變泵的動葉進口相對液流角使動葉葉片前伸和傾斜，可以改善和提高水泵的性能，所得的結論對于水泵的工程設計有一定的參考價值。
　　關鍵詞：計算流體力學；SIMPLE算法；數(shù)值模擬；性能分析
　　
　　1引言
　　CFD方法與傳統(tǒng)的理論分析方法、實驗測量方法組成了研究流體流動問題的完整體系。理論分析方法的優(yōu)點在于所得結果具有普遍性，各種影響因素清晰可見，是指導實驗研究和驗證新的數(shù)值計算方法的理論基礎；但是，在非線性情況下，只有少數(shù)流動才能借助這種方法得到解析結果。實驗測量方法所得到的實驗結果真實可信，它是理論分析和數(shù)值方法的基礎；然而，實驗往往受到模型尺寸、流場擾動、人身安全、測量精度，以及經(jīng)費和時間等方面的限制，有時很難通過試驗方法得到結果。而CFD方法恰好克服了前面兩種方法的弱點，在計算機上通過數(shù)值模擬的方式形象地再現(xiàn)流動情景。CFD的最大好處是適應性強、應用面廣，它可以用于求解各種復雜幾何形狀和邊界條件下的粘性流體流動問題，它不受物理模型和實驗裝置的限制，省錢省時，有較大的靈活性，能快速給出詳細和完整的資料，便于作多方案比較。因此，用CFD技術分析研究水泵葉輪內(nèi)部流場己經(jīng)成為改進與優(yōu)化葉輪設計不可缺少的一種重要手段。CFD能夠提供非常有價值的流場信息以供設計者改進設計，但是由于CFD目前還無法通過直接設計或修改葉型來提高或改善流動效率。因此，在設計方法上把傳統(tǒng)設計方法和準三維方法聯(lián)合起來設計軸流泵葉輪，并在模型試驗上采用CFD最新技術進行試驗驗證，成為迫切需要解決的問題[1][2]。
　　本文就是應用準三維流面理論，通過改變水泵葉片的進口相對液流角設計三種噴水推進泵模型，運用現(xiàn)在流行的三維的流體計算軟件Fluent對所設計的水泵在不同工況下進行內(nèi)部流場計算。并且對三種水泵模型的性能進行了分析，所得到的結論對水泵的工程設計具有一定的參考價值。
　　2噴水推進泵模型的建立
　　本文運用流場分析的方法對水泵進行優(yōu)化設計，應用準三維流面理論來計算泵的內(nèi)部流場，采用流線曲率法求解流面流線，最終使動葉的葉片、輪緣和輪轂的形狀與流動過程中實際形成的流面相吻合，以內(nèi)部流動損失最小為目標來優(yōu)化設計噴水推進泵。為獲得精確的流動計算結果,需要進行s1和s2流面之間的迭代計算,整套算法采用Fortran語言編程實現(xiàn)。
　　所設計的噴水推進泵的參數(shù)如下，轉(zhuǎn)速:1000，揚程:27m，流量：2.3，動葉數(shù)目為5，靜葉數(shù)目為6，工作介質(zhì)為液態(tài)水。將設計參數(shù)輸入到s1-s2流面計算程序并生成可執(zhí)行文件，從而得到設計模型各點的坐標參數(shù)。最后把泵的坐標文件輸入到Tecplot軟件，得到噴水推進泵的模型，如圖1和圖2所示。
　　
　　圖1噴水推進泵的整體模型
　　
　　圖2動葉和靜葉帶厚度的模型
　　3噴水推進泵內(nèi)部流動數(shù)值模擬
　　本文應用準三維流面理論的計算方法，通過對水泵內(nèi)部流場進行反問題計算，得到了優(yōu)化設計的通流流道幾何模型。為了分析水泵的工作性能，運用Fluent軟件對所設計的水泵進行內(nèi)部流場進行三維數(shù)值模擬。
　　3.1噴水推進泵的網(wǎng)格劃分
　　本論文模擬的是噴水推進泵全流道，包括三個流域：進口區(qū)域、動葉區(qū)域和靜葉區(qū)域。為了更好的模擬出泵內(nèi)部的真實流場，在計算過程中應用混合平面法解決三個區(qū)域之間的干涉，混合平面定義在進口區(qū)域的出口和動葉區(qū)域的進口，以及動葉區(qū)域的出口和靜葉區(qū)域的進口交接處。在進口使用壓力進口，出口使用壓力出口邊界條件。
　　噴水推進泵的進口區(qū)域進口（即全流道的進口）內(nèi)徑為96mm，外徑為500mm，動葉區(qū)域進口內(nèi)徑為114mm，外徑為530mm，動葉區(qū)域出口內(nèi)徑為328mm，外徑為695mm，靜葉區(qū)域出口（即全流道的出口）直徑為350mm，泵全長1254mm。網(wǎng)格的劃分使用結構網(wǎng)格和非結構網(wǎng)格技術，在主要的計算區(qū)域加密網(wǎng)格，特別是在動葉和靜葉的面上細化網(wǎng)格，以便得到更加精確的解。
　　本論文中一共計算三個噴水推進泵的模型，模型的三個流域分別單獨劃分網(wǎng)格。在噴水推進泵的三個流動區(qū)域中，進口區(qū)域流動比較均勻，流線基本和邊界一致，所以采用六面體結構網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)目都為22.3萬個；動葉區(qū)域流動比較復雜，還有流體的旋轉(zhuǎn)運動和能量的轉(zhuǎn)換，并且葉片的形狀比較扭曲，所以在劃分網(wǎng)格的時候采用四面體非結構網(wǎng)格進行劃分，網(wǎng)格的數(shù)目分別為103.6萬個，127.6萬個和111.4萬個。靜葉區(qū)域流體有能量的交換，但是流體沒有旋轉(zhuǎn)運動，所以在劃分網(wǎng)格的時候采用四面體非結構網(wǎng)格進行劃分，網(wǎng)格的數(shù)目分別為38.8萬個，67.7萬個和41.2萬個。三個區(qū)域和模型整體的網(wǎng)格劃分如圖3、圖4和圖5所示。
　　
　　圖3進口區(qū)域的網(wǎng)格劃分圖
　　
　　圖4動葉區(qū)域和靜葉區(qū)域的網(wǎng)格劃分圖
　　
　　圖5噴水推進泵整體的網(wǎng)格劃分圖
　　3.2流動的控制方程
　　本文計算的是穩(wěn)態(tài)的三維不可壓流體，應用連續(xù)方程和動量方程來描述流體的流動，計算的基本方程如下[2]：
　　連續(xù)性方程：
　　
　　動量方程：
　　=
　　=
　　=
　　3.3計算的邊界條件和算法的設定[2][3][4][5]
　　1．進口：壓力進口，參考壓力為標準大氣壓。
　　2．出口：壓力出口，參考壓力為標準大氣壓。
　　3．為了增加計算的穩(wěn)定性，在計算中使用了混合平面。在進口區(qū)域出口和動葉區(qū)域進口、動葉區(qū)域出口和靜葉區(qū)域的進口使用混合平面，進口和出口分別設置為壓力進口和壓力出口，參考壓力為標準大氣壓。
　　4．進口區(qū)域和靜葉區(qū)域設置為靜止區(qū)域，動葉區(qū)域設置為旋轉(zhuǎn)區(qū)域并輸入旋轉(zhuǎn)速度，動葉區(qū)域葉片和輪轂隨網(wǎng)格區(qū)一起旋轉(zhuǎn)，相對于動葉區(qū)域來說是靜止的，所以設置為靜止壁面，動葉區(qū)域的外壁是靜止的，設置為靜墻。
　　5．為了使流動穩(wěn)定，未考慮重力的影響，流動介質(zhì)為液態(tài)水，使用分離求解器和帶壁面函數(shù)的標準模型，用SIMPLE算法進行計算。
　　6．本文選用的收斂精度為10-5，并且監(jiān)測流場出口處的質(zhì)量平衡情況和面積平均全壓。求解大約在1500步迭代后收斂，殘差達到規(guī)定的收斂精度，從進出口質(zhì)量流量平衡和出口總壓的監(jiān)測情況，可以觀察到計算達到穩(wěn)定值。
　　4數(shù)值模擬計算結果與分析
　　在數(shù)值模擬計算中，三種泵的設計工況都是1000，通過改變轉(zhuǎn)速的大小來改變泵的計算工況，計算過程中的邊界條件和算法都是一樣的。圖6到圖7分別是三種泵模型(動葉進口相對液流角分別為35度、31度、29度)的流量、軸功率、輸出功率、進出口總壓之差隨轉(zhuǎn)速變化的曲線。
　　
　　圖6三種泵模型的流量、軸功率隨轉(zhuǎn)速的變化曲線
　　
　　
　　
　　圖7三種泵模型輸出功率、泵進出口總壓之差隨轉(zhuǎn)速的變化曲線
　　通過觀察流量、軸功率、輸出功率隨轉(zhuǎn)速變化的曲線和分析計算的結果，發(fā)現(xiàn)流量隨轉(zhuǎn)速成正比關系，在圖上是一條近似的直線；軸功率和轉(zhuǎn)速的三次方成正比，在圖上是一條曲率變大的曲線；這些模擬結果和理論的結果一致，說明模擬計算是準確的，能夠真實的反應流場內(nèi)部的情況。
　　圖8到圖9分別是三種泵模型的軸功率和輸出功率隨轉(zhuǎn)速變化的曲線圖。
　　
　　圖8進口相對液流角為35度時軸功率和輸出功率隨轉(zhuǎn)速的變化曲線
　　
　　圖9進口相對液流角為31度時軸功率和輸出功率隨轉(zhuǎn)速的變化曲線
　　
　　圖10動葉進口相對液流角為29度時軸功率和輸出功率隨轉(zhuǎn)速的變化曲線
　　從噴水推進泵的軸功率和輸出功率隨轉(zhuǎn)速的變化可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，三種模型泵的輸出功率和軸功率比值變化不大，也就是效率隨轉(zhuǎn)速的變化不大，但是輸出功率和軸功率的差值相差越來越大，說明隨著轉(zhuǎn)速的增加，泵內(nèi)流體的流動速度變大，在動葉和流體之間轉(zhuǎn)換能量時候的能量損失變大,隨著泵動葉進口相對液流角為的減小，泵的軸功率和輸出功率之間的差值變小，說明動葉進口相對液流角為變小以后，泵內(nèi)部的流動損失減小了，泵的性能提高了。
　　
　　圖11三種泵模型轉(zhuǎn)速和效率曲線
　　圖11是三種模型泵效率隨轉(zhuǎn)速變化的曲線圖，從圖中可以看出三種泵的模型隨著動葉進口相對液流角為的減小，泵的效率變大，從78%增長到88%，說明改變動葉的相對液流角后，改善了泵內(nèi)部流體的流動狀況，使葉片和流體之間在能量傳遞過程中的損失減小，但是動葉進口相對液流角為的減小以后，泵在轉(zhuǎn)速相等的條件下流量變小，輸出功率也變小，所以泵的轉(zhuǎn)換能量的能力減小了。噴水推進泵是需要大流量和高輸出功率的，所以動葉進口相對液流角為也不能減的太小。
　　噴水推進泵在設計工況下，改變水泵動葉進口相對液流角后流量、揚程和比轉(zhuǎn)速的變化如表1所示。
　　表1水泵動葉進口相對液流角對應的流量、揚程和比轉(zhuǎn)速
　　動葉進口相對液流角為 35度 31度 29度
　　流量（）
　　2.32 2.28 2.23
　　揚程（m） 28 26 25
　　比轉(zhuǎn)速 459 478 488
　　由表1可以看出，在設計工況下，動葉進口相對液流角變小以后，雖然泵的流量減小，但是揚程也變低了，總體的效果是比轉(zhuǎn)速升高了，適合大流量、小揚程的噴水推進泵的需要，并且泵模型改變以后，在設計工況下，流量減小分別為0.04和0.05,揚程減小分別為2m和1m，變化都不是很大。
　　5結論
　　1.在建立泵內(nèi)部三維流場的數(shù)學物理模型時，采用了基于理論上推導的湍流模型，對泵內(nèi)湍流流動進行了數(shù)值模擬，取得了很好的效果。所得到泵在不同工況下流量、軸功率、輸出功率隨轉(zhuǎn)速變化的曲線，與理論結果相同，所以采用湍流模型可用來描述泵內(nèi)實際流動。
　　2.從噴水推進泵的軸功率和輸出功率隨轉(zhuǎn)速的變化可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，三種模型泵的輸出功率和軸功率比值變化不大，也就是效率隨轉(zhuǎn)速的變化不大，但是輸出功率和軸功率的差值相差越來越大，說明隨著轉(zhuǎn)速的增加，泵內(nèi)流體的流動速度變大，在動葉和流體之間轉(zhuǎn)換能量時候的能量損失變大,隨著泵動葉進口相對液流角為的減小，泵的軸功率和輸出功率之間的差值變小，說明動葉進口相對液流角為變小以后，泵內(nèi)部的流動損失減小了，泵的性能提高了。
　　3.說明改變動葉的相對液流角后，改善了泵內(nèi)部流體的流動狀況，使葉片和流體之間在能量傳遞過程中的損失減小，但是動葉進口相對液流角為的減小以后，泵在轉(zhuǎn)速相等的條件下流量變小，輸出功率也變小，所以泵的轉(zhuǎn)換能量的能力減小了。噴水推進泵是需要大流量和高輸出功率的，所以動葉進口相對液流角為也不能減的太小。
　　參考文獻
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