（动力机械及工程专业论文）固液两相流离心泵内部流场的数值模拟研究.pdf

摘要 本文利用三维建模软件p r o e 完成原型泵o c l 5 0 3 0 固液两相流离心泵过流部 件的三维实体造型，导入至g a m b i t 进行全流道的网格划分，再以高质量网格输出至 f l u e n t 中进行数值计算和分析。f l u e n t 计算选用标准k 一占湍流模型、s i m p l e c 压 力校正法、一阶迎风式等参数，在0 8 q 、1 0 q 和1 2 q 三种典型工况下进行清水流场的 数值计算。模拟结果显示：后进口的环形吸入室造成叶轮流道内流场紊乱，易产生轴向 漩涡和回流，降低了泵的效率；随着流量的增大，叶轮流道内轴面漩涡逐渐减弱；蜗壳 断面二次流呈螺旋状前行至扩散管出口。试验中该泵的测试情况也不理想：扬程曲线偏 离最佳工况后下降太快，高效区宽度较窄；加长的悬臂轴导致泵振动大，噪音高。为此 经分析研究，对原型泵按如下建议进行结构优化： ( 1 ) 将原模型的后进口环形吸入室更改为前进口直锥形吸入室； ( 2 ) 将原模型的四片扭曲叶片更改为三长三短的圆柱形叶片； ( 3 ) 将原模型的梯形蜗壳断面更改为矩形断面； 根据前三项的更改对其它结构做相应的修改。 对原型泵结构更改优化后，在选用相同控制参数的前提下，再次进行建模、网格划 分和清水流场的数值计算过程。对比优化前后的清水流场的数值模拟结果：优化后叶轮 流道内的漩涡消失，整体上流场分布更加均匀，但射流一尾迹流现象加剧；在短叶片头 部也出现有低压区；扭曲型叶片的抗汽蚀性能要优于圆柱形叶片的抗汽蚀性能。然后选 用m i x t u r e 多相流模型进行固液两相流场模拟，结果显示：叶轮进口前端固相速度小于 液相速度，进入叶轮流道加速后固相速度大于液相速度；固相在叶轮流道内有向叶片压 力面集聚的趋势；叶轮轮毂侧固相浓度大于前盖板侧固相浓度，并在叶片尾缘与轮毂侧 的交界处达到最大；蜗壳外壁的固相浓度要明显高于两侧壁，并在第1 断面和第断面 出现峰值区域。优化后泵的扬程曲线随流量增大下降平缓，高效区明显拓宽，且振动噪 声较小，证明本次结构改进达到了预期效果。数值计算过程还证明，当泵内流场非常紊 乱时，计算的稳定性和收敛性都较差，且模拟结果与测试结果偏差较大。 关键词：固液两相流；离心泵；数值模拟；混合模型；外特性 a bs t r a c t g a m b i t ，w h i c hw a s o n eo ft h es u b p r o g r a m so ff l u e n t , m e s h e dt h ep u m p m o d e l i n gb y p r o e ，a n dt h e nt h ei n t e r n a lf l o ww a sr e s p e c t i v e l ys i m u l a t e do nt h r e ed i f f e r e n tt y p i c a lf l o w r a t e st h a tw e r eo 8 q ，1 0 qa n d1 2 q t h er e l a t i v ep a r a m e t e r s ，i n c l u d i n gt h es t a n d a r d 七一占 v i s c o u sm o d e l ，s i m p l e cp r e s s u r e - v e l o c i t yc o u p l i n ga n df i r s to r d e ru p w i n dd i s c r e t i z a t i o n e t e ，w e r es e ti nf l u e n t as t u d yw a sp r e s e n t e dt h a ti ts h o w e dv o r t i c e si n s i d et h ec h a n n e l so f i m p e l l e rw h i c hw a sa x i a le d d ya n dc i r c u m f l u e n c et h a tm i g h to w e t ot h ea n n u l a ri n l e t ，a n dt h e l o w e re f f i c i e n c ya n dw o r s es t a b i l i t yw e r et h er e s u l to fs t o c h a s t i cd i s t u r b a n c e ；t h el i q u i d f l o w e di nt h ef o r mo fs p i r a ln m n i n gt ot h ed i f f u s e ri nt h ev o l u t e a d d i t i o n a l l y , at e s tw a s c o n d u c t e da n di ts h o w e dt h ec u r v eo fe f f i c i e n c yd r o p p e dr a p i d l yj u s tb e h i n do ft h en o m i n a l f l o wr a t e ，a n dt h ew i d t ho fh i g he f f i c i e n c yw a se x t r a o r d i n a r yn a r r o w a tt h es a m et i m e ，t h e l o n g e rc a n t i l e v e rs h a f tr e s u l t e di nt h el a r g e rv i b r a t i o na n dh i g h e rn o i s e s t h e r e f o r e ，i tw a s n e c e s s a r y t oa m e l i o r a t et h ec o n f i g u r a t i o n ，s u c ha sl a t e rs e v e r a la d v i c e s ： ( 1 ) t or e p l a c ea n n u l a rb a c k s i d ei n l e tw i t hs t r a i g h tt a p e r e df r o n t a li n l e t ； ( 2 ) t or e p l a c e4 - t o r t u o s eb l a d e sw i t h3 - l o n g 3 - s h o r tc o l u m n e db l a d e s ； ( 3 ) t or e p l a c et r a p e z o i d a ls e c t i o no fs h e l lw i t hr e c t a n g u l a rs e c t i o no fi t ； a m e n do t h e rc o r r e s p o n d i n gc o n f i g u r a t i o n sa c c o r d i n gt ot h ep r e c e d i n g p o i n t s t h ep r o c e s s e so fm o d e l i n g , m e s h i n ga n ds i m u l a t i n gw e r er e d o n ea st h es a m ec o n t r o l l e r p a r a m e t e r s c o m p a r i n gw i t ht h ef o r m e rs i n g l e - p h a s el i q u i d ，t h el a t e rm o d e ls h o w e ds e v e r a l d i f f e r e n c e s ，s u c ha s ：t h ev o r t e xd i s a p p e a r e dw i t h i nt h ep a s s a g eo fi m p e l l e r , a n dt h ef l o w d i s t r i b u t e dm o r ee q u a lt h a nb e f o r e ，w h e r e a st h ep h e n o m e n ao fs p r a y i n g - w a k i n gb e c a m e r e m a r k a b l e ；t h el o w e rp r e s s u r ee x i s t e dn e a r b yt h es h o r tb l a d el e a d i n ge d g e ；f u r t h e r m o r e ，t h e c a p a b i l i t yo fr e - c a v i t a t i o n sc o r r o s i o no ft o r t u o u sb l a d ew a sb e t t e rt h a nt l l a to fc o l u m n e db l a d e t h e nt h em i x t u r em o d e lw a sc h o s e na st h ep u m pt r a n s p o r t st w o - p h a s ef l u i do nt h eb a s eo f s i m u l a t i o no fs i n g l e - p h a s el i q u i df l o w t h ed a t ao b t a i n e du n d e rt h ec o n d i t i o no f s o l i d l i q u i d t w o p h a s ef l u i dd i s p l a y e ds e v e r a ld i f f e r e n c e sw i t hf o r m e rp u m p ，s u c ha s ：t h ev e l o c i t yo fs o l i d w a sl o w e rt h a nt h a to fl i q u i da tt h ei n l e to fi m p e l l e r , b u ti td i dr e v e r s ew h e nt h em i x t u r ee n t e r t h ec h a n n e l so fi m p e l l e r ；t h e r ew a sat e n d e n c yt h a tt h es o l i dr a nc l o s i n gt ot h ep r e s s u r eo f i i b l a d e ；t h es o l i dc o n c e n t r a t i o nn e a r b yt h eh u bo fi m p e l l e rw a sh i g h e rt h a nt h a tn e a r b yt h e s h r o u do fi m p e l l e r , a n di tc l i m b e dt h eh i g h e s ta tt h ec r o s sb e t w e e nt h eb l a d et i pa n dt h eh u b s u r f a c eo fi m p e l l e r ；t h es o l i dp r o p o r t i o no fc i r c u m f e r e n t i a lw a l li nt h ev o l u t ew a so b v i o u s l y h i g h e rt h a nt h a to ff l a n kw a l l ，a n di ts h o w e dt h eh i g h e s ta tt h ef i r s tc r o s s - s e c t i o np l a n ea n dt h e e i g h t hc r o s s - s e c t i o np l a n e t h el a t e rc h a r a c t e r i s t i cc u r v er e d u c e dg e n t l ya st h ei n c r e a s eo f f l o wr a t e ，a n dt h el i n eo fh i g he f f i c i e n c yw a sw i d e rt h a nf o r m e rp u m p m o r e o v e r , t h e v i b r a t i o nw a sv e r yl i g h t a l lt h ea b o v er e s u l t sw e r ev e r i f i e dt h es u c c e s so ft h i so p t i m i z i n g i n a d d i t i o n , t h r o u g ht h es i m u l a t i o ni th a sb e e na w a r eo ft h a tt h ec o n s t r i n g e n c ya n ds t a b i l i t yw e r e w o r s ew h e nt h ei n n e rf l o ww a sv e r yi n o r d i n a t e a tt h es a m et i m e ，n u m e r i c a lr e s u l t sw e r e c o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a lc h a r a c t e r i s t i cc u r v e sa tt h ea p p o i n t e df l o wr a t e ，a n di t s h o w e da c o n v i n c i n ga g r e e m e n ta st ot h eo v e r a l lf l o wf e a t u r e s k e yw o r d s ：s o l i d l i q u i dt w o p h a s e ；c e n t r i f u g a lp u m p s ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；m i x t u r e m o d e l ；e x t e m a lc h a r a c t e r i s t i c i i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 罄葫、日期彤年仁月旷日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 储躲豢斌 刷程轹红鸽 ，7 7 * l j ，1 日期：巧年钇月9 日 日期哆年r 月心日 1 1 引言 第一章绪论弟一早珀t 匕 固体物料的管道水力输送技术，已有1 2 0 多年的发展历史。它是一种效率高、成本低、 占地少、低( 无) 污染、安全可靠，又可合理配置布局的输送方式，在矿山、造纸、冶 金、医药、食品、电力、城市建设、河道疏浚等行业有着广泛的应用。作为动力源的泵 是整个水力输送系统中的最为重要的设备，目前，泵己成为我国三大机械产品( 汽车、 机床、水泵) 之一。随着国内经济的飞速发展，固液两相流泵( 以下简称为固液泵) 的 需求量也同益增大，这对国内泵技术的研发提供了新的契机和平台。 泵是工业中在耗电大户，在我国，泵的用电量占到总用电量的2 0 n 1 左右。因此，泵的 工作效率、可靠性等都备受关注。由于固液泵的输送介质中含有固体颗粒，其内部流场 较清水泵存有许多的差异，例如其中的杂质泵，其效率普遍低于5 0 ，有的甚至低于 4 0 呤1 ，由此可见，泵的能源损耗较大。传统的固液泵研究设计往往停留在清水泵的基 础上，依靠经验加以修正，有时在某个单项性能上能得到较大幅值的提高。但在实际使 用过程中，由于设计人员的经验不足，设计出的多数产品效率低、耐磨损性能差。在能 源紧缺的科技时代，对新一代泵产品提出了更高的节能要求。因此，如何提高泵的效率， 改善泵的性能，一直都是国家和企业的重点研究项目。 流体力学领域的研究分析，传统的有理论分析和实验研究两种手段，随着计算机技 术的高速发展，近年来又衍生出一种新的数值计算方法，又称计算流体动力学 ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，c f d ) 。该方法有着独特的优势，经过近3 0 年迅速发展， 目前成为一个独立的学科分支，是当今流体力学中最活跃、最有生命力的领域之一。 本论文就是在流体动力学的研究基础上，借助一种c f d 商用软件f l u e n t 对 o c l 5 0 3 0 型固液两相流离心泵( 以下简称固液离心泵) 的内部流场进行数值计算模拟， 并与试验测试数据比较，研究分析其内部流场，指导泵的优化设计。 1 2 多相流理论的研究与发展 在流体力学中，将动力学性质相同的均匀物质称为相。每种物质在不同的温度下可 以有三种物理状态，即固态、液态和气态。也就是说，任何物质都以相的形式存在，即 固相、液相或气相。在系统中存有两相或两种以上的流动称为多相流，其中以典型的液 一液、液一气、液一固和气一固等两相流较为常见。比如自然界中从大气层尘埃、云雾、雨 雪运动到江河泥沙运输，工业上固料管道运输、流化床、石油的输送和提炼，以及食品 加工、造纸等都涉及到两相流。为便于研究，在工程中研究中经常把流动中包含的不同 尺寸或不同形状的同形态物质颗粒，也当成不同的相来处理。 与单相流相比，多相流要复杂得多。一方面是由于多相流每相各自有一组流动参数， 描述运动的变量也就要增加将近一倍；另一方面在与各相的体积浓度、分散相颗粒的大 小、各相的物理特性及相间的相对速度可变化范围较宽，这都可能引起流动性质和流动 形态的突变。 1 2 1多相流数学模型 多相流经过近几十年的发展，人们对其基本运行规律的研究已取得了模型化的成果。 但这些模型基本都局限于一些特定的局部情况，其应用范围以及边界条件都尚未得到满 意的结果。周光炯先生根据自己的研究和经验h 1 ，总结出一些有价值的模型分类： 1 2 2固液两相流计算模型 玑同芒叫黼型 体模 勉 流散 壁蛾 双扩 型檄戳 一。、 模均问 删 一一一 流散 平 平间问时 双扩 体 面时时双 型型lyj貘貘 酬一 引 模 模 模 模酮拥 均 均 均 均扑莉 一 一 一 一 惭黼 问 问 合计(： 帅 蜘 船褂“耙 厂l1、。、ill一 模均 均 日 统 拉 格 茨 型 型 欧 拉波 模 删糕一型搅型 配合型 型 模质 翅 匹混模 模 验介 瓣 相相分 均 经续 魁 分两变 平 半连 触 厂，。，一、l 混 棚 动 质 型质 介 模介 续 理续 连 动连 的发展，两相流的研究开始受到重视。1 8 7 7 年，b o u s s i n e s 开始研究明渠水流中泥沙的沉 降和输运问题，引领了两相流研究的开端；2 0 世纪3 0 年代，两相流的术语首次出现在美 国的一篇研究生论文中；而直到1 9 4 3 年，苏联才将这一术语应用于正式出版的学术刊物 上畸1 。目前，国内外有关两相流模型的研究已有大量的报道，根据不同的标准基本上有 以下几种分类h 儿6 8 1 。 1 2 1 1 按颗粒的处理方式不同分类 ( 1 ) 两相流宏观的连续介质理论 该理论将混合物中的两相都视为宏观的连续介质。这种方法一直沿用至今，并且也 是目前采用最多的研究方法，同时它又可以细分为以下三类： 分流模型对于分层流和管道中环状流这些有着较为固定分界面的多相流，可与单 相流一样把各相假定为连续介质。 两流体模型s l s o o 在1 9 6 7 年提出该模型，他把两相流中的各相都分别假设为连 续介质，各相同时充满整个流场。各相流动参数在相交面上发生间断，通过相界面各相 产生质量和热量传递。 扩散模型又称为单流体模型，常见的均流模型是它的一个特例。它假定相互作用 着的两相或组分构成了一种新的物质( 实质上是含有两种不同物质的混合物) 且连续充 满整个流场。混合物运动只用一组混合流动参数来描述，而每相的参数与混合参数之间 用扩散方程联系。这种模型较为直观，求解比较简单。但由于该模型没有考虑两相之间 的相互作用和相互影响，因此不能真实反映泵内部两相流的运动规律。 ( 2 ) 两相流微观的连续介质理论 该理论起源于单相流的气体分子运动理论，它把固相的一个个单体颗粒看作类似于 气体分子运动论中相应的分子，用b o l t z m a n n 方程描述。而对于流体相可有两种不同的 方法，即用分子描述，或用连续介质模型描述。 1 2 1 2 按固液两相的耦合程度不同分类 ( 1 ) 两相平衡流模型 又称为均匀流模型，它假设两相的速度彼此相等，两相有着相同的运动参数，互不 影响，因而这种模型比较简单，被广泛应用于各种产品设计的理论性计算中。 ( 2 ) 一方耦合模型 此模型假设流体不受颗粒存在的影响，但颗粒在流体的带动下被牵引运动，适用于 颗粒浓度非常低的两相流动。 ( 3 ) 两相不平衡流模型 又称分离流模型，其中的两相的速度彼此不相等，两相间存在滑移速度。混合物中 的各相因物化特性不同，其运动规律不可能完全一致。该模型综合考虑了两相之间的速 度差异，更接近多相流的实际情况，因此较前两种模型更为精确，但同时也更为复杂。 1 2 1 3 按刻划的尺度和属性的不同分类 ( 1 ) 连续介质模型 连续介质模型是将颗粒相看成是拟流体，颗粒相和流体相皆采用欧拉坐标描述，这 3 是目前在两相流动研究领域中使用最为广泛的一种方法。如果其中的颗粒相仅视为一相 来处理的话，常常又被称为双流体模型( t w o f l u i dm o d e l ) 。该模型还可以细分以下几种： 无滑移模型假定所有颗粒的温度、物质密度都相等，并且它们的平均速度和当地 的流体相速度也相等，不考虑流体与颗粒的相对滑移和两相问的阻力，颗粒扩散相当于 流体组分的扩散。该模型把颗粒相处理得非常简单，易于计算，它但是没有考虑相间的 速度滑移违背了客观规律，现在已基本不再应用了。 小滑移模型假定颗粒在流体的夹带下运动，同相的速度、温度、物质密度和颗粒 直径均相同，颗粒在流场中有扩散漂移，即小滑移。此模型是建立完整的两相流模型的 开端，它考虑了颗粒的滑移和两相间因滑移而引起的相间拽力，但还是没有全面地描述 颗粒的运动，与实验观察结果相差较大。 滑移一扩散模型该模型既考虑了相间的平均速度滑移，又考虑了颗粒群的湍流扩 散，是目前较为完善的多相流动模型。由于引入了颗粒群的运动参数，所以控制方程的 求解计算量增大，对含多种不同规格的颗粒群来说不易实现。此外，目前对初始边界条 件及扩散系数的确定都是经验数据，有关的参数修正系数研究还不是很充分，有待进一 步探讨。 ( 2 ) 颗粒群轨迹模型 离散颗粒群模型就是把颗粒作为离散介质来考虑，更符合实际流动，因此对该模型 的研究较为深入。该模型可分为： 单颗粒动力学模型假设颗粒对流场没有影响，颗粒的运动互不相关，相间存在较 大的速度滑移。该模型是最早的两相流模型，它可应用解析法分析颗粒的运动轨迹以及 速度的变化。它的前提条件也就限定了它只适用颗粒浓度小，滑移量相当大的流场。 颗粒轨迹模型假设离散颗粒各自沿自己的轨道运动，相问存在大滑移，但不考虑 颗粒群的湍流扩散。该模型已经广泛用于两相流的研究，它能够模拟复杂过程的颗粒相 运动规律，却没能全面地考虑颗粒的质量、动量和能量的湍流扩散过程，在复杂流场中， 连续的颗粒速度和浓度的空间分布也很难给出，因此，要想和实测的欧拉坐标颗粒特征 对照就非常困难。 颗粒湍流扩散的拉格朗日模型该模型是对颗粒轨迹模型的修正，它充分考虑了颗 粒的湍流扩散效应。其修正方法有人为地加入漂移速度、漂移力的概念和用随机的方法 来处理颗粒的运动两种，其中采用第二种方法较多。 流体拟颗粒模型该模型从刻划单颗粒尺度上的运动行为入手，不仅将宏观离散的 颗粒当成离散相处理，还将宏观连续的流体也采用拟“颗粒”性质的流体微团来处理， 从而可以模拟远离平衡态的系统。这类模型对流体、颗粒的运动都是采用拉格朗日坐标 来描述。 1 3 固液离心泵的研究与发展 在泵的实际使用中，真正意义上的单相流介质输送工况并不常见，较多的还是固液、 气液和液液两相流介质。固液泵的分类方法也很多，常见的是按其工作原理来分类：离 4 心泵、混流泵、轴流泵、往复泵、隔膜泵、螺杆泵、射流泵以及螺旋离心泵等一些复合 结构的新型泵，其中离心泵占了近8 0 阳1 的市场份额。而在离心式固液两相流泵中，按 照固液两相的成分、浓度以及固体物的形状、大小、硬度等物理化学性质的不同，总体 上又可分为渣浆泵和无堵塞泵( 通常称为污水泵) 两大类。 同 液 两 相 流 泵 r 泥浆泵 l 砂泵 r 渣浆泵 鎏蓁蓁 ii 吸泥泵 离心式弋l 泡沫泵 lr 污水泵 雾橥妻l 无堵塞泵t 霾蓑柔 鲁慧蒌 轴流式 、一“l 离心式 厂活塞泵 往复式1 譬煮乏、，厂活塞隔膜泵泵 l 隔膜( 离) 泵t 泵磊；篙蓄囊。 厂螺杆泵 l 喷射泵 i 软管泵 其它型式 0 ，那么u s l = 喀，如果忆 0 ，那么u s l = 刃且u s l = 死，k ，和瓯相等且是相 间的动量交换系数，而曳力函数对于不同的动量交换系数模型和微粒的松弛时间有不同 的形式。在f l u e n t 软件中提供了三种不同的液固交换系数模型：s y a m l a l o b r i e n 、w e n a n d y u 和g i d a s p o w 模型。当固体相的剪切应力根据s y a m l a le ta l 定义时，s y a m l a l o b r i e n 模型比较适合，w e na n dy u 模型适合于稀释系统，而g i d a s p o w 模型是w e na n dy u 模型和 e r g u n 方程的联合，在密集的流化床中应用较多。此外，欧拉模型中还有一些常用参数， 包括体积分数、动力粘度、体积粘度、摩擦粘度和颗粒温度等。体积分数是指每相按体 积当量各自所占有的比例，且每相都遵循质量守恒和动量守恒，q 相的体积被定义为： = l 。d v ( 2 1 9 ) 其中： 一 = l q = l ( 2 - 2 0 ) 关于动力粘度，f l u e n t 软件也提供了两种选择，默认为s y a m l a le ta l 表达式，也可以选 择g i d a s p o we ta l 表达式或自定义函数；体积粘度可认为是颗粒对于周围拉压外力的阻 抗，f l u e n t 软件中默认为常数0 ，也可以选择l u ne ta l 表达式或自定义函数；摩擦粘度 的定义是，由于颗粒之间的摩擦而产生了固相的剪切粘度；固相的颗粒温度是与颗粒随 机运动的动能成比例的，f l u e n t 软件默认为a l g e b r a i c 表达式，也可以设置为常数或自 行定义。 在f l u e n t 软件中设计有用于计算湍流的三种欧拉多相流封闭模型：混合湍流模 型、分散湍流模型和每相的湍流模型。因三种模型都是基于k s 模型提出的，所以也就 限定了欧拉模型的应用范围。混合湍流模型是f l u e n t 软件默认的湍流封闭模型，它是 单相k g 模型的第一扩展，用于相分离、分层和相间密度比接近于l 的多相流；分散湍 流模型适合于有明显的一个主连续相和其余分散稀释第二相时的情形，此时，可以忽略 颗粒间的碰撞，且第二相是在主相湍流的影响下随机运动，因此第二相的波动量能根据 主相的平均特征和颗粒松弛时间与漩涡中颗粒作用时间的比率来确定；每相的湍流模型 为每一相都求解各自单独的k 和占输运方程，计算量大，一般用于计算当相间的湍流传 递起着重要作用时的多相流动。 2 3 计算流体力学软件 c f d 软件根据其功能流程包括有前处理、求解器和后处理三个程序模块。自1 9 8 1 年 以来，经过长期的发展，目前已经出现了f l u e n t 、p h o e n i c s 、s t a r c d 、c f x 、f i d i p 、 n u m e c a 等多个商用c f d 软件，这些软件都能独立实现c f d 的三个功能。其中，f l u e n t 是目前功能最全面、适用性最广、国内使用最广泛的c f d 软件之一。此外，也出现有一 些专门进行c f d 前处理、后处理等方面的专业软件。 c f d 的前处理几何建模和网格生存。复杂图形的几何建模一般通过专门的c a d 软件来实现，如p r o e 、s o l i d w o r k s 、c a t i a 、u g 、a u t o c a d 等；几何建模完成后 的网格生成软件主要有g a m b i t 、g r i d g e n 、i c e mc f d 、c f d g e o m 等。 c f d 的后处理软件中使用最为广泛的是t e c p l o t ，其它f i e l d v i e w 、c e ie n g l i s h 等后 处理软件也有使用。 鉴于篇幅原因，关于本论文中使用的f l u e n t 软件的相关介绍将在第三章中结合论 文的固液离心泵数值计算作相关介绍。 2 1 第三章实体建模与数值计算 本论文选用的原型泵为o c l 5 0 3 0 型后进口固相两相流离心泵，是使用在化工生产或 其它两相流介质下的渣浆泵系列，设计参数如下： 体积流量g = 1 5 0 m 3 h ，额定扬程h = 3 5 m ，叶片数z = 4 ，叶轮额定转速 n = 2 9 5 0 r m i n ，固相质量比浓度e r a = 3 0 ，固相比重r = 2 3 ，固相粒径d 。= 0 1 m m 。 经换算可知，该泵的比转数以，：3 6 = 5 n 而4 一q ：1 5 2 ，属高比转数泵。清水流场密度取 爿 p 液= 1 0 0 0 k g m 3 ，则固体颗粒密度p 固= 2 3 0 0 k g m 3 ，混合物中固相体积比浓度乞= 1 5 。 3 1 固液离心泵的p r o e 三维实体建模 高质量的实体建模是网格划分的必要前提，直接影响网格质量的生成，最终决定数 值计算结果的正确性与可靠性，因此建模过程至关重要。f l u e n t 的前处理模块 g a m b i t 一般可用来建立不太复杂的模型，或者是从图纸上较容易直接定义几何点坐标 的模型，比如叶轮的木模图。但其最大的缺点是修改功能较差，对于复杂的几何模型， 尤其是三维曲面问题的建模，很难实现。本文使用专业的计算机辅助设计软件 p r o e n g i n e e rw i l d f i r e 完成离心泵的实体建模，再输出“s t p 格式文件导入g a m b i t 中 进行网格划分和边界类型定义。因c f d 是针对泵内的流体部分进行数值计算，为便于 g a m b i t 的网格处理，将在p r o e 中对泵内流道的流体部分直接实体建模。 3 1 1p r o e 软件简介 p r o e 是美国参数技术公司( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n ，p t c ) 于1 9 8 8 年所 开发的使用参数化造型的机械设计系统。p t c 所提出的单一数据库、参数化、基于特征、 全相关的概念改变了机械c a d c a m c a e 的传统观念，这种全新的概念己经成为当今世 界c a d c a m c a e 领域的新标准。在此概念基础上开发出来的第三代计算机辅助机械设 计c a d c 龇c a e 产品p r o e 系统共有2 6 个功能模块，其主要功能模块有三维实体 造型、曲面、零件设计及装配、反向设计、有限元分析、模具设计、数控加工、后置处 理、应用程序接口等等。 p r o e 系统用户界面简洁，概念清晰，并且通用性好，符合工程人员的设计思想和 使用习惯。p r o e 是一套由设计至生产的机械自动化软件，将设计至生产的全过程集成 到一起，让所有的用户能够同时进行同一产品的设计制造工作，即实现所谓的并行工程。 整个系统建立有一定拓扑关系的数据库上，具有完整而统一的模型。在设计人员工作的 过程中，模型的每个尺寸都视为一个可变的参数，只要修改这些参数的值，相关的实体 模型即会按照尺寸的变化重新生产新的实体模型。而且p r o e 可以在多个主流的操作平 台上使用，并保持同一外观和功能，信息也可在不同操作系统之间相互转化。 3 1 2 吸入室造型 离心泵吸水管法兰接头至叶轮进口的流道部分称为吸入室，按其外形可分为锥形吸 入室、环形吸入室和半螺旋形吸入室三种。o c l 5 0 3 0 固液离心泵的吸入室法兰前端部分， 依据后续f l u e n t 边界条件设置要求将其向外延伸5 0 m m 直管段；叶轮进口前端为环形 吸入室，轴向截面未采用梨形结构，而是简单的矩形结构，便于造型，降低设计制造成 本。环形吸入室的结构优点是结构对称、简单、紧凑、轴向尺寸较小，但绕流经过泵轴 的流体在轴的背面易产生漩涡，造成叶轮进口流速分布不均匀，流动损失较大。但该结 构轴向尺寸较短，故在节段式式多级泵中使用较多。 进水段造型采用简单的拉伸和交截命令即可完成，见图3 1 。 3 1 3叶轮造型 离心泵叶轮设计有圆柱形叶片和扭曲形叶片两种。圆柱形叶片外形简单，可用单圆 弧或多段圆弧法成形，然后加厚形成叶片；扭曲形叶片根据叶轮进口的流动状况设计而 成，水力损失小，但设计复杂，加工制造困难。 原型泵叶轮采用了4 片扭曲叶片，建模时按叶轮设计提供的水力模型图的点坐标取 值，完成叶片实物建模，见图3 3 。再利用装配功能中的布尔运算在旋转得到的无叶片叶 轮选择体中减掉叶片部分，得到叶轮流道的流体区域，见图3 4 。 为了便于叶轮出口与蜗壳入口的内部面连接，将叶轮的流体区域向叶轮出口向外延 伸l m m ，则在后续的叶轮出口与蜗壳进口连接面定义时只需定义一次即可，简化设置。 3 1 4 压出室造型 压出室是指叶轮出口或导叶出口至压水管法兰接头间的空间，主要是收集从叶轮流 出的高速流体，然后以最小的阻力损失引入压水管或次级叶轮进口。同时，压出室还将 液体的部分动能转变为压力能。按结构可分为螺旋形吸入室( 又称蜗壳) 和环形吸入室 两种，本文原型泵采用蜗壳式设计。蜗壳具有结构简单、制造方便、效率高等特点，但 在非设计工况下运行时易产生径向力。蜗壳采用八断法绘制，先作基圆，然后在八个断 面绘制截面图，采用扫描混合命令完成蜗壳实体建模，见图3 2 。其中，隔舌部分曲面复 杂，必须采用高级曲面命令才能完成。 3 1 5 三维实体组装 各过流部件建模完成后，将其装配并生成“s t p 类型的文件，全部按实体类型输 出，并于后续的g a m b i t 网格处理。至此，离心泵的三维实体建模工作完成，见图3 5 。 因泵在实际安装运行时，进出口接入的管道系统均为圆管，并且离心泵出口流动并未达 到充分流动的自由出流状态，与f l u e n t 的出口参数设置不相符，所以在离心泵实体建 模时都以直管延伸了部分。 匈一 图3 i吸入室流道外形罔图32蜗壳流道外形图 忽彩乡 图33扣曲叶片外形图h34 1 1 i 轮流道外形阁 32g a m b it 前处理 32i 网格划分 罔35伞流道外形幽 原o c i5 0 3 0 周液离心泵结构复杂，为多曲向外形，所以采用白适用功能最优的川面 体非结构网格划分，见图36 31 1 。理论j + ，用于c f d 计算的l 叫格尺、j 越小，数量越多， n l 一 嘲36 州轮流道阿格圈圈37吸 室流道嘲格图 图38蜗壳流道喇格图 图39 蜗壳流道隔舌部分网格局部放大图图31 0 叶轮流道叶片头部咧格局部放夫幽 图3 i l 全流道网格图 则计算结果就越接近实际流场。但综合考虑到计算机硬件的匹配以及计算的稳定性和收 敛性等问题，本文经多次划分检查网格质量并计算，选用合适了的网格尺寸。各过流部 件流道的网格划分单元体数量：吸入室1 3 8 5 3 1 4 ，叶轮3 0 3 3 7 5 ，蜗壳l1 7 1 6 2 1 ，总计2 8 6 0 2 9 1 个单元体，见表1 。 表3 1 全流道网格划分详细数据 网格划分时，在面小线短的部分采用合并功能对其合并，使网格均匀化；在速度梯 度大的叶片头部、叶片表面和隔舌部分采用手动加密，进行局部网格细化。此后在 f l u e n t 计算过程中选取绝对速度梯度为参考量，对整个计算区域采用自适用网格自动 调整。 网格划分后进行网格质量的检查和调整，一般认为网格质量在0 9 , - , 0 8 5 y j 能开始计 算，网格质量在0 8 5 以下为优质网格。本模型网格划分后，只有4 个单元体网格质量在 o 8 2 - 0 8 0 之间，其余均在0 8 以下，说明网格质量较好，为接下来的f l u e n t 数值计算提 供了保证。网格划分后，必须在指定边界类型和体类型前指定求解器为f l u e n t 5 6 ，否 则在f l u e n t 中选择模型无效。 3 2 2 边界类型设定 3 2 2 1 流动进口边界 设计参数虽给定了泵的进口质量流量，但若将进口边界条件设定为m a s s f l o w - i n l e t ， 则进口全压允许随着内部求解进程而变化，只适用于可压流动。因此，必须将泵的质量 流量转换成为吸入室进口的速度项，即设定为v e l o c i t y - i n l e t ，进口速度的换算公式为 y ：卑( 3 1 ) 万瑶4 3 2 2 2 流动出口边界 扩散管段出口设定为充分流动的o u t f l o w ，即除压力外，其它参数的梯度均为零。为 保证充分流动的条件，在扩散管段建模时，将出口段延垂直方向延长1 0 0 m m 。 3 2 2 3 壁面边界 过流部件的连接处壁面定义有两种，一种是定义成i n t e r i o r 类型，另一种是定义成 i n t e r f a c e 类型。两者均能完成连接面的数据交换，二者的区别是：i n t e r i o r 的两个连接面 的节点数必须一一对应，且在g a m b i t 中定义之后在f l u e n t 中不需做任何其它定义； i n t e r f a c e 的两个连接面的节点可以不一致，但在g a m b i t 中定义后在f l u e n t 中需要另 外定义，建立两个面的数据交换。本文中各部分网格连接处网格采用映射划分，所以选 用i n t e r i o r 类型定义边界简化操作。 叶片为旋转部件，叶轮区域在后续定义中需要旋转，所以将围成叶片的各面定义为 w a l l 类型。其余面不定义，其g a m b i t 默认为w a l l 。 2 6 3 2 3 体类型设定 体类型的设定是针对流体区域的物理特性进行设置，本文的叶轮区域为旋转体，单 独设定为一个f l u i d ，其余可设定为一个f l u i d ，也可按网格划分区域设定多个f l u i d 。 3 3 f l u e n t 数值计算 3 3 1网格导入 f l u e n t 求解器选择三维单精度即可，然后导入由g a m b i t 生成的“m s h 文件。 先进行网格缩放，因网格中有四面体类型单元体，则有必要作网格光顺与交换单元面的 操作，最后进行网格检查，控制不能有负体积单元体存在，否则计算无法进行。 3 3 2 选择求解器和运行环境 选择f l u e n t 默认的分离式求解器和隐式方案，参考压力默认为标准大气压。本文 为立式离心泵，所以计算运行环境需考虑重力影响，在z 轴正方向定义重力加速度为 9 8 n k g 。 3 3 3 确定计算模型 当流体介质为清水时，考虑b o u s s i n e s q 涡粘性假设，在湍流充分发展的湍流核心区， 采用适用强旋转流和带弯曲壁面流的r a nk s 双方程湍流模型嘲1 ；当计算两相流时选 择模型，其中的粘性模型默认为标准k 一占双方程。但经反复的计算和修改，因原型泵内 流场紊乱，漩涡较多，采用r a nk 一占无法收敛，所以退而选择标准k 一占模型计算，而 在优化模型的计算中采用r a nk 一占模型。 无论是标准k 一还是r a nk s 模型汹7 0 1 ，都是针对充分发展的湍流流动而建立的， 只适用于高雷诺数湍流流动，对于近壁区不充分发展的湍流流动计算存在较大误差，因 此针对这一问题，也对k s 模型进行了相关的补充和修正，其中包括可以利用结合壁面 函数法来解决近壁区的流动，即近壁面函数法；或使用可以自动适应不同雷诺数区域的 低雷诺数k 一占模型来进行计算。 3 3 4 定义流体和设置边界条件 叶片随叶轮流体部分旋转，在做稳态计算时，在m o v i n gr e f e r e n c ef r a m e 前提下将叶 片壁面