离心泵全流场网格的建立与分析

？30．ｙｊ＊冻教；ｆｔ2015年第3期离心泵全流场网格的建立与分析＊何朝辉1李哓俊2汪灿飞1（1－浙江省机电设计研究院有限公司浙江省泵及电机重点实验室，杭州，310002；2－浙江理工大学，杭州，310018）摘要：为了分析全流场网格对离心栗性能预测的适用性，本文从计算域拓扑生成和动静交界面处理等方面研究了全流场网格划分方法与离心泵数值预测精度的关系，重点分析了叶轮流道不同网格划分方法的优劣及原因。同时，采用ＳＳＴｆｃｉ湍流模型获得了两种不同交界面处理方法下离心泵外特性的变化趋势。通过与实验结果对比，发现两种不同网格划分方法所得计算的结果，其相对偏差均在3％以内，且动静交界面的处理影响数值计算结果。两种方法获得的叶轮进口和流道中部的速度分布基本一致，而叶轮出口及蜗壳内流场存在明显差异，直接沿叶轮出口设置动静交界面干扰了蜗壳内部真实的流动状态，所以在实际数值计算中不推荐采用。本研究可为离心泵的数值计算提供参考。关键词：离心泵全流场数值模拟小流量工况结构化网格中图分类号：ＴＨ311文献标识码：Ａ建方面并没有统一的认识，网格处理方式也存在较引言大的区别。笔者所在的课题组也从离心泵网格构建的角度随着计算流体力学（ＣＦＤ）的快速发展，流场分深入分析了全流场网格对数值计算精度的影响『Ａ析方法已经广泛应用于离心泵压力特征和内部流动并在此基础上获得了泵腔内不稳定流动状态及其诱细节的研究。相关研究表明，数值模拟结果能为研导的压力脉动特征上述研究成果虽然证实了究离心泵提供足够的支持＿。尽管如此，数值模基于全流场网格的模拟方法有助于提高离心泵的模拟结果与试验结果仍存在一定的差异，多种原因会拟精度，但是极小流量点的模拟值与试验值相比仍造成模拟结果的预测偏差，包括湍流模型的选择、然存在较大的偏差［101。在后续研究中发现造成小流网格数量和时间步长的无关性分析、边界条件设定量工况模拟偏差的主要原因是叶轮和蜗壳交界区域等［3夂然而网格作为模拟计算的重要环节，网格的网格处理方案不能满足流动的要求＂1］。为进一步质量直接影响计算的速度和精度’网格划分方法应研究全流场网格对离心泵数值模拟结果的影响，本该给予足够的重视。文以单级单吸离心泵为例，尝试从网格拓扑块生成近年来，研究者日益重视基于全流场的离心泵方法的角度分析和解决该问题，以期为数值模拟过数值模拟方案，一方面在于计算方法和计算机性能程中全流场网格的构建提供指导。的提高，为全流场模拟方法提供了技术支撑；另一方面在于髙速化和单机大功率化的发展趋势，必须1研究对象考虑泵腔间隙流和级间泄漏流对泵的流体力和运行稳定性的影响［5＞。然而目前对离心泵全流场网格构本文计算对象为直联式端吸蜗壳泵，是在文献［5］基础上改型设计得到的，该泵的结构图和水体图如图1所示，其主要几何参数为．叶轮进口直＊国家自然科学基金项目（51概33）、浙江省教育厅资助项目：闰夂晒1則、，升土女儿，1双凡1邗近口且（Ｙ201432052）、浙江省泵与电机重点实验室开放基金项目（Ｈ2015＃Ｄｊ＝75ｍｍ，叶轮出ｎ直径Ｚ＞2＝174ｍｍ，叶轮出购002）和浙江理工大学科研启动基金项目（14022004－Ｙ）口宽度62＝12ｍｍ，叶片数2＝6，賴壳基圆直径Ｚ）3＝2015年第3期？31‘Ａ！在动静交界区域的网格建立方面，需要重点关注叶轮进出口区域酬格布局，下面将针对进出口｜Ｋ＾＾4区域网格划分分别进行讨论。ＩＨＨＳ｜2．ｉ叶轮进口区域的网翻分在ＩＣＥＭ中，細“自底向上”的方式创建叶＂轮的拓扑块，常用的拓扑块生成方法有2种，分别为沿叶片构建拓扑块和沿叶轮流道构建拓扑块。图Ｗ结构图（ｂ）水体图3为采用2种方法得到的网格示意图，其中左图是图1离心泵的结构图和水体图沿叶片创建拓扑块的方式。1＿泵出口2－隔舌3－前盖板4＿前泵腔5－口环6＿吸水室7－叶片8－后盖板9－蜗壳10－后盖板184ｍｍ，蜗壳出口直径Ａｆ50ｍｍ。模型泵额定点ｆ的参数为：流量仏＝60ｍ3／ｈ，擁／／ｄ＝34ｍ，效率ｒ77＝78％，转速／ｉ＝29（Ｘ）ｒ／ｍｉｎ。Ｄ｜2瞧划分（ａ）沿叶片构建（ｂ）沿叶轮流道构建在进ｆＴ离心粟全流场网格划分时，为了减小因图3叶轮进口区域网格划分方法网格引起的求解偏差，可以将泵腔流道和蜗壳水体连为一体，建立基于泵腔一体化的网格划分方案，从网格生成角度来说，两种构建方法各有优详细的网格划分方法可参阅文献［11］。在实际处理劣。沿叶片创建拓扑块的方法相对简单，需要定义中需关注两点：间隙区域的网格数目及长宽比满足的周期点较少，当网格数量不多时，生成的网格质要求；动静交界区域两侧的网格分布需相同或相量也比较高，如果仅关注泵的外特性，这种方式生近，尽量减少交界面数据插值的误差。这两点在小成的网格能够较好地满足要求。如果网格数量较流量工况以及空化工况表现的尤其明显，该类工况多，要求精细的泵内流场结构时，建议采用沿叶轮能够直接用于验证计算网格的可靠性，如Ｙａｍａｄｅ流道构建拓扑块的方式，原因如下：和Ｋａｔｏ等Ｍ根据能否获取泵内旋转失速的特征来1）采用沿叶片创建拓扑块的方法得到的网格在判断网格是否满足流动的要求。叶轮进口区域的网格数目过多，而且越靠近进口中本文的离心泵口环内直径4＝81．6ｍｍ，长度心，网格密度越大，如图4所示。叶轮进口中心过Ｌ＝15ｍｍ，宽度Ｓ＝0．6ｍｍ（见图2）。对该区域进行密的网格既消耗计算资源，又易造成区域模拟畸变。局部网格无关性分析，最终沿轴向均匀布置30层网格，宽度方向为12层网格，其中近壁面第一层网格高度为0．01ｍｍ。ｎ／ＪＴ／爾？Ｊ／／／ｊ（ａ）沿叶片构建（ｂ）沿叶轮流道构建图2口环间隙的结构示意图图4离心泵的轴截面网格图‘32？2015年第3期2）沿叶片创建拓扑块的方法在划分拓扑块的所示，两套网格总数基本相同。另外，进出口延伸过程中，在叶片前缘将叶轮叶片分割开。然而叶片段的网格节点总数约150万。表中同时给出了叶轮进口附近的流动极其复杂，这种方法获得的网格在流道和泵壳流道内ｙ＋分布的平均值（该值表示离壁捕捉叶片前缘区域的流动时易出现偏差。面最近的网格节点到壁面的距离，为无量纲变＿ａｍ山量＂3］）。该值能确保两套网格的近壁区有足够的节2．2叶轮出口区域的网格划分点满足ＳＳＴ纟－ｗ湍流模型的要求。叶轮叶片表面叶轮出口的动静交界区域是泵内流动最复杂的ｙ＋分布见图6，叶片表面的ｙ＋值最大约为12。区域，该区域网格质量的优劣显著影响数值计算的＾＾结果。对非全流场网格来说，只需考虑建立的网格Ｊｆ？2。ｊ（＾養ｆ一能否捕捉动静交界区域的流动细节，而全流场网格■■还需要同时兼顾前后泵腔的次流与叶轮内主流的相＾ｒ互作用。全流场网格的划分方法按照叶轮出口是否Ｔ‘ｖＡ添加水体可分为2种，为便于描述，将叶轮出口不＾、＼ｆＡ加水体的命名为网格ｉ（见图3ｂ），而叶轮出口增ｆｆ‘，加部分水体的命名为网格ＩＩ。在网格ｎ构建过程／中，为保证叶轮出口网格与蜗壳的合理匹配，需要将区域动静交界面设定为凸台结构。由于凸台结构（ａ）（ｂ）＿Ｄ的存在，动静交界区域酬格生雌网格Ｉ复杂，ｍｅ特别是如何保证交界面两侧网格的平滑过渡，具体网格结构細5所示。3数值模拟方法ｊＳ31边界水件的设疋ＨＢ基ｔ嶋Ｉ謂格ｎ断数件＿界条件设置基本－致，计算域的进口細静压人口条件，出｜誦口给定质量流量，进出口边界条件的取值由试验值确定。固体壁面采用无滑移壁面，设置壁面粗糙度叶轮包括栗腔上与叶轮相连的壁面定义为旋转边界，其转速为叶轮转速，ＢＰ2900ｒ／ｍｉｎ；其他壁面全设置为静止，叶轮和腔体之间的交界面选择冻图5网格模型ＩＩ结转子模型（ＦｒｏｚｅｎＲｏｔｏｒ）；网格关联均采用ＧＧＩ2．3网格质量力￥°在保证计算域网格无关性分析和近壁区网格加3．2湍流模翻计算方法的选择密的基础上，得到本文最终的计算域网格，如表1控制方程的离散采用基于有限元的有限体积？ｉ法，对流项采用高分辨率格式，收敛精度设为2ｘ—＾10－5，时间步为500步；同时监测扬程、功率和效＃轮栗％率残差收敛曲线以保证计算结果的可信度。＿Ｉ＿ｎ睡Ｉ＿ｎ由于不同的湍流模型对近壁区网格数量要求不网格数量（ｘｌＯ6）2．772．803．353．40问，根据表！、图6所不叶轮和栗冗表面的ｙ＋值分网格质量＞0．45＾0．42＾0．4＞0．5布，可以选择ＳＳＴＡ：－…瑞流模型模拟泵内流动，网格角度／（。）＾18．4＾18．2＾17．8＾18．3壁面函数根据湍流模型选取，设置为Ａｕｔｏｍａｔｉｃ壁／平均值4．613．486．764．42工7氣面函数。2015年第3期一在救；＜：？33．4数值模拟结果与讨论度较文献［10］的结果有歡的提高。在流量0．2仏＿工况时，离心泵的扬程试验值为38．19ｍ，网格Ｉ‘＾＾的模拟值为38．27ｍ，网格ＩＩ的觀值为37．5ｍ；分别采用2套网格获得离心泵的外特性性能预其扬程相对误差分别为0．21％和1．84％。这说明本测值，并与额定转速ｒａ＝2900ｒ／ｍｉｎ下的试验值比文建立的网格划分方法能够基本满足离心泵数值计较，其中试验值在江苏大学流体中心的闭式试验算的需求。台测得，见图7。”—由图7可知，在设计流量工况点，离心粟的扬4＊2＾＋？－ｎ＾ＳｔｋＳ程试验值为32．47ｍ，效率试验值为77．17％；网格从上节分析可知，基于网格Ｉ的扬程模拟值大Ｉ的扬程模拟值为33．7ｍ，效率模拟值为78．66％；于网格ＩＩ的结果，而两套网格的区别仅仅是叶轮与而网格Ｄ的扬程模拟值为32．28ｍ，效率模拟值为蜗壳间动静交界面的形状不同。为找出导致离心泵78．99％；网格Ｉ的扬程相对误差为3．65％，效率相外特性模拟结果出现差异的原因，需要进一步分析对误差为1．89％；网格ＩＩ的扬程相对误差为0．6％，两套网格的内特性模拟结果。效率相对误差为2．3％。图8为设计工况下分别采用两套网格得到的叶在整个流量工况范围内，离心泵的模拟值与试轮中截面速度等值线图，图中左上角为蜗壳隔舌区验值较为接近，模拟的效率和扬程值与试验测得的域的压力分布云图。从叶轮中截面的速度分布可知，变化趋势基本一致。其中网格Ｉ得到的扬程值大于在叶轮流道进口和中间部位，两套网格得到的速度网格ｎ的模拟值，特别是在设计流量工况附近，具分布基本一致；而在叶轮与蜗壳的动静交界区域的4速度分布规律则有明显不同，特别是靠近隔舌的叶轮流道。基于网格Ｉ的模拟结果，靠近隔舌的叶轮36＇＂流道内存在明显的高速区，而网格ＩＩ虽然也存在高32．速区，但强度和范围都要小于网格Ｉ的计算结果。｜32试验值图9为两种计算域蜗壳不同断面内速度分布，？28－■模拟值睡Ｉ各个断面位置见图8，同时在图中绘制了叶轮与蜗＋模拟值隱ｎ＼壳Ｉ司动静交界面的位置。可以＃出，两套网格得到24‘的蜗壳断面内都存在明显二次流，但两者的速度分201．．．布有明显区别。网格Ｉ得到的蜗壳断面的速度值要0153°＿：）60759