低比转速离心泵圆盘损失计算的探讨及内部流动特征的数值分析

摘要

近几年来，随着计算机硬件水平的不断提高，CFD技术在泵的计算及优化设计中得到了广泛的应用，但是对于低比转速离心泵而言，如果计算域不包含泵的前后泵腔和密封口环间隙，则忽略了圆盘摩擦损失而使计算结果误差较大，使得CFD技术无法准确预测其性能。
　　 本文以一台低比转速的离心泵作为研究对象，建立了两种计算域模型，一种由叶轮通道和涡室组成，另一种由叶轮通道、涡室、前后泵腔和密封口环组成，使用CFD计算方法计算了两种计算域在0.2Qopt、0.3Qopt、0.5Qopt、0.7Qopt、Qopt、1.1Qopt、1.2Qopt七个工况值，通过数值计算与试验之间的对比表明，当计算域包含前后泵腔和口环间隙时，预测的性能曲线与试验曲线吻合较好；当计算域不包含前后泵腔和口环时，预测的轴功率和效率曲线与试验曲线吻合较差。
　　 经分析研究发现，对于低比转速离心泵而言，可以使用圆盘摩擦损失公式对全流场计算域的轴功率和效率进行修正。通过与广泛使用的圆盘摩擦损失公式相比，分别计算泵的前后腔体的圆盘摩擦损失和口环泄漏量推导得到的圆盘摩擦损失公式，能更准确的预测圆盘摩擦损失值。
　　 文中使用RNGκ-ε模型和LES方法对低比转速离心泵进行了全流道整机非定常数值模拟，发现LES方法能较准确的预测低比转速离心泵轴功率和效率曲线，但是当流量小于设计流量时，两种数值模拟方法预测的扬程预测值比试验值小且误差都较大；通过比较叶轮通道进出口速度图，发现具体某一点的瞬态速度值两模型计算结果相差较大，研究发现靠近隔舌部位的叶轮出口处液体流动较紊乱而且压力脉动比较明显；大涡模拟方法不仅可以预测出脉动和冲击、漩涡等现象，还能较准确的捕捉叶片附近液体流动的连续性；讨论了网格数对LES模型的计算结果影响，结果表明：网格划分的越密，叶轮流道和蜗壳内分离涡越明显，而且流动状态越符合实际情况，隔舌点处的压力脉动的幅值变化越大，可以认为小网格数要比大网格数缺失很多信息。