中开双吸泵内部流动特性的数值模拟

2013 届本科毕业设计（论文）中国计量学院本科毕业设计(论文)中开双吸泵内部流动特性的数值模拟The Numerical Simulation of the Flow Characteristics inside a Split Double Suction Pump学生姓名 学号 学生专业 班级 二级学院 指导教师 2013 届本科毕业设计（论文）郑 重 声 明本人呈交的毕业设计论文,是在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果,所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知,除文中已经注明引用的内容外,本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体,均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。学生签名： 日期： 2013 届本科毕业设计（论文）分类号： TB12 密 级： 公开 UDC： 531 学校代码： 10356 中国计量学院本科毕业设计(论文)中开双吸泵内部流动特性的数值模拟The Numerical Simulation of the Flow Characteristics inside a Split Double Suction Pump2013 届本科毕业设计（论文）致 谢首先，我要感谢我的导师 XXX，本文是在涂老师的细心指导和帮助下完成的。在毕业设计进行的各个阶段，涂老师都不忘关注进程并加以辅导，解决一个个问题难点，期间老师还为我提供了相关资料和设计思路，正是涂老师的负责和指导我才能顺利的完成这次的毕业设计。其次，我要感谢在毕业设计期间，帮我解决了很多模拟的细节问题并提供了相关资料的田福真学长，学长的帮助让我节约了大量时间，学到了很多知识，加快了毕业设计的进度。最后，我要感谢我们学院的力学计量实验室机房，给我提供了一个良好的实验环境和学术氛围。电脑上都配有本次毕业设计相关的软件，让我能够快速地进入毕业设计状态。感谢所有对我毕业设计提供帮助的老师和学长，感谢和我共同在学院机房奋斗的同学，让我更有动力更努力地完成本次毕业设计。2013 届本科毕业设计（论文）中开双吸泵内部流动特性的数值模拟摘要：本文主要采用 CFD 技术对中开双吸泵内部流动特性进行了数值模拟，目的在于模拟中开双吸泵内部的流动特性，得到实验中双吸泵的扬程与效率，并和计算中双吸泵的扬程和效率进行比较分析，从而优化双吸泵设计。目前对双吸泵进行数值模拟的技术比较成熟，在前人的大量研究分析下，本文着重用 gambit 对双吸泵的物理模型进行优化处理并进行划分网格，再用 fluent 软件对其内部流动特性进行数值模拟。本文基于 Navier-Stokes 方程，采用了 RNG 模型和 SIMPLEC 算法。计k算得到了模型在不同流量下的压力分布和速度分布，并对其进行了分析计算，最终得到各流量下的扬程和效率，并和实验值进行了比较。模拟结果表明，随着流量的增加，流道进口处的压力增加，出口处的压力减小，流道进出口的总压差降低。在双吸泵叶轮中，叶轮进口到出口压力增加，到叶轮出口处达到最大值，说明此时流体能量达到最高，且叶轮进口处有着明显的低压区，随着距离叶轮旋转轴（本文为z 轴）距离的增加，叶片上的压力增加。关键词：中开双吸泵，数值模拟，CFD 技术，扬程和效率特性中图分类号：TB122013 届本科毕业设计（论文）The Numerical Simulation of the Flow Characteristics inside a Split Double Suction PumpAbstract: In this paper, mainly using the CFD technology to conduct the numerical simulation of the flow characteristics inside a split double suction pump, the purpose is to obtain experimental value of the head and efficiency of a double suction pump, then compare with the calculated value of the head and efficiency to optimize the double suction pump design. Due to the current proven technology of numerical simulation and a large study of previous analysis, this paper focuses on using gambit to mesh and optimize the physical model of the double suction pump, and then the fluent to simulate its internal flow characteristics. This paper is based on the Navior-Stokes equations, using the turbulence model of RNG and SIMPLEC algorithm. Calculation results show the kvelocity profile, pressure distribution and velocity vector distribution of the two sections at different operating conditions, finally gaining the head and efficiency. The comparison of simulation results with the experiment shows that with the increase of flow, the inlet pressure increases and the outlet pressure decreases, and the total pressure of the flow channel import and export decreases. In the double suction pump impeller, impeller pressure increases along with the import to export, and reach a maximum in the impeller exit, with the fluid energy. The impeller entrance has obvious area of low pressure, with the distance of impeller degrees of rotation (this article for the z axis) increases, the pressure on the leaves are on the increase.Keywords: split double suction pump, numerical simulation, CFD, the characteristic of head and efficiencyClassification: TB122013 届本科毕业设计（论文）目 次摘 要目 次1 绪论11.1 课题研究背景和意义11.2 国内外研究现状21.3 课题的基本内容和拟解决问题41.4 研究方法及措施42 CFD（计算流体动力学）的理论方法简介 52.1 控制方程52.2 湍流模型52.3 Simplec 算法 62.4 MRF 方法 63 数值模拟过程和操作73.1 数值建模73.2 网格划分（前处理）83.2.1 物理模型的优化83.2.2 网格划分93.3 计算求解（求解器）103.3.1 导入网格文件103.3.2 计算模型与湍流模型的选取103.3.3 边界条件的设定113.3.4 求解方法的设置及其控制124 结果分析（后处理）134.1 计算值与实验值的比较分析132013 届本科毕业设计（论文）4.2 内部流动现象分析165 总结25参考文献26学位论文数据集282013 届本科毕业设计（论文）1 绪 论1.1 课题研究背 景及意义泵是把原动机的机械能转换成液体能量的机械。泵可分为叶片式泵，容积式泵和其它类型的泵。中开双吸泵是叶片式泵，也叫动力式泵，它能连续不断地给液体施加能量。叶片式泵又可分为离心泵、混流泵，轴流泵。图 1.1 为离心泵的装置简图。离心泵的主要过流部件有叶轮、吸水室和压水室。叶轮是泵的核心部件，叶轮由盖板和叶片组成。吸水室位于叶轮入口前，它的作用是把流动的液体引入叶轮，有直锥形、弯管形和螺旋形三种形式。压水室位于叶轮的外围，它的作用是收集从叶轮流出的液体并送入排出管，主要有蜗壳式（螺旋形压水室） 、导叶和空间导叶三种形式 。图 1.1 离心泵装置简图离心泵的种类很多。按叶轮吸入方式可分为单吸式离心泵和双吸式离心泵。该毕业设计主要研究的是中开双吸离心泵。中开双吸泵具有结构简单、使用维修方便、性能优良等突出优点，且双吸泵的效率比相同比转速的单吸泵效率高，所以在电厂、钢厂、水厂、市政、建筑工程等许多部门和领域广泛应用，本毕业设计题目来源于与浙江飞旋泵业有限公司合作的横向项目，目的在于分析中开双吸泵内部的流动特性，由此对其结构进行优化，提高其水动特性和效率。中开双吸泵的结构原理图见图 1.2。中开双吸泵的工作原理为：原动机通过泵轴带动叶轮旋转，对液体做功，使其能量增加，从而使液体由吸水池经泵的过流部件输送到要求的高处或要求压力的地方 1。双吸泵的泵体采用双流道设计，以减少径向力，从而延长机封和轴承的寿命。叶轮的水力设计采用了最先进的 CFD 技术，因此提高了泵的水力效率。2013 届本科毕业设计（论文）图 1.2 中开双吸泵的结构原理图CFD技术由4部分构成，即：数值建模、网格划分（前处理）、计算求解（求解器）和结果分析（后处理）。在相同的扬程下，双吸式离心泵比单吸泵的流量增大一倍，它适合于大流量、高扬程的工作场合。近年来，CFD (计算流体动力学方法)越来越多地用于泵的流场分析并进行性能预测。它能弥补实验研究和一元流动模型的不足，将会成为泵优化设计的发展趋势 2。在该毕业设计中，就是采用CFD技术模拟中开双吸泵的内部流动特性。1.2 国内外研究现状早在1588年就有了关于4叶片滑片泵的记载，以后陆续出现了其他各种回转泵 。1689年，法国的D帕潘发明了4叶片叶轮的蜗壳离心泵。 1818年 ，美国出现了具有径向直叶片 、半开式双吸叶轮和蜗壳的离心泵。18401850年，美国的H.R.沃辛顿发明了泵缸和蒸汽缸对置的蒸汽直接作用的活塞泵，标志着现代活塞泵的形成。18511875年，带有导叶的多级离心泵相继发明，使发展高扬程离心泵成为可能。随后，各种泵相继问世。随着各种先进技术的应用，泵的效率逐步提高，性能范围和应用也日渐扩大 3。国内现有的中开双吸泵产品主要有Sh型和S 型，几十年来未进行大的改进，基本保持原貌。我国的离心泵是由50年代仿苏产品开始的，当时仅生产用于农田排灌的离心泵。1954年，沈阳水泵厂开始自行研究试制双吸泵，1957年在前苏联双吸泵的基础上发展出Sh 型泵，整个系列扬程范围偏低，泵的性能稳定，效率指标较高。1962年由当时的一机部通用机械研究所和沈阳水泵研究所共同负责（以沈阳水泵研究所为主）组织了Sh 型双吸泵的联合设计，制定了该产品的泵行业技术标准。1968年泵行业在上海进行了S 型系列双吸泵联合设计，发展S 型泵的意图是想代替Sh 型泵 456。国内对双吸泵产品的需要日益增加，急需开发具有国外同类产品水平的新系列双吸泵。但无论是S 型泵还是 Sh型泵，由于多年没有再进行技术改进，经过多年的实际运行已经陆续暴露了它的不足之处，传统产品所存在的问题有：(1)性能范围不广，2013 届本科毕业设计（论文）尤其缺少百米以上扬程的产品；(2)结构陈旧，如轴封只考虑填料密封等；(3)造型陈旧。近年来新开发OS型系列双吸泵。本系列产品开发以来，已有常州东申、温岭飞旋原温岭市水泵厂、湖南天一、威海双轮、山东电泵、上海康大、琢州高研、上海东方、上海凯泉、上海莲盛、无锡亿志等厂家不同程度的采用包括水力模型。全系列以上品种已制造成产品，性能指标基本达到国外同类产品水平，深受用户欢迎 5。为了提高国内的双吸泵产品的效率和扬程，缩短设计所需的时间，提高泵的性能，清华大学、沈阳水泵研究所和江苏理工大学等单位从20世纪70年代开始就先后进行了泵的计算机辅助设计和优化设计。1979年，谭泽光、王守棣首次提出了离心泵的CAD ，此后国内大量的研究工作人员对泵的CAD进行了研究。80年代末、90年代初，一些国内单位研发的泵的水力设计软件渐渐地达到实用化水平，其中就包括CFD技术 78。上海大学的张计光，陈红勋等人基于RANS方程、 模型和Simple 算法对双k吸泵内部流动进行了数值模拟。根据模拟的结果计算，对双吸泵的内部流进行了分析，计算了双吸泵性能，并将性能预测的计算与实验值进行了对比，表明在大流量下两者符合得较好，对进一步优化双吸泵的设计提供了一定的依据 9。清华大学的唐辉、何枫基于三维无结构网格建立计算模型，在设计工况下用三种不同的计算模型对泵的内部流场进行了数值模拟，并对其进行了比较分析，为之后的计算给出了相关的参考建议，并计算得到了离心泵内部流场的速度分布和压力分布，对改进叶型设计、探究影响离心泵效率的因素和提高离心泵的效率提供了有用的信息 10。哈尔滨工程大学的周继良，郑洪涛等人利用三维CFD 程序进行了一台单级轴流水泵动叶轮的流场计算，根据计算结果对该水泵的性能进行了分析，从而概括了利用CFD 对水泵进行性能分析的方法，对于从事流体机械设计的工程技术人员有一定的参考价值 11。上海大学的刘文龙，郭加宏等人就某双吸式离心泵的扬程和流量达不到设计标准，效率偏低的情况，对离心泵的内部流动特性进行了数值模拟，通过对泵内流场、速度分布和压力分布的分析，得到了该泵达不到设计标准的原因，提出了扩大叶轮进口面积的改进方案。并对改进后的离心泵的内部流场进行了数值模拟计算，将改进前的数据和改进后的数据进行了比较分析，结果表明改进后的泵基本达到了设计要求。模拟结果表明以上的改进方案可行，数值模拟为水泵的优化处理提供了强有力的依据 2。此外，国外很多研究人员也做了大量的相关研究工作。1978年，Makay和Szamody12报道研究泵衰竭的主要原因。他们指出在设计条件下着重获得高效率会导致部分负荷运行中不良的流动特性，并对泵和泵的设计与性能难度进行了全面检查。Makay和Szamody 强调内部泵的间隙，尤其是那些转子与定子之间存在高梯度的2013 届本科毕业设计（论文）内部泵的间隙的重要性。之后的报告 13中，包括了建议在相似地面上的大型输液泵的安全最小流量应为25的设计流量状况。1986年，Tanabe等用有限元离散和原始变量方法，进行了离心泵叶轮内部三维紊流流动的数值计算；1989年，Ewald Steck等采用有限差分离散和速度- 涡量方法，进行了离心泵叶轮内部三维层流流动的数值模拟计算。1992年，Shi Qingping等和Goede等先后发表了离心泵叶轮内的二维、三维湍流流动的数值计算结果 8。Jafarzadeh等人为了研究得到最合适的湍流模型，采用标准 型，RNG型和kRSM型三种已知的湍流模型，并把特性曲线形式的模拟结果与可用的实验数据进行了比较，得到了一个合理建议。此外，他们还研究了叶片数目对泵效率的影响。叶片数目在5到7之间变化。结果表明，叶轮叶片为7时具有最高的扬程系数。最后还观察到蜗舌的叶片位置对何时开始分离有很大的影响 14。随着计算机技术的快速发展，CFD作为一种数值方法，正逐渐走向成熟，在水泵、风机、水轮机等流体机械中的应用越来越广泛。用CFD技术模拟机械的内部流动特性，可以得到机械内任意位置的流动细节，如压力、速度、能量损失、扭矩、漩涡等，从而对其进行性能估计达到优化设计等 15。1.3 课题的基本内容和拟解决的问题我们课题就是模拟中开双吸泵的内部流动特性。主要用 SolidWorks 软件对双吸泵的叶轮、吸水室、压水室等复杂空间进行装配，用 Gambit 软件对 SolidWorks 所建模型进行优化和网格划分，用 Fluent 软件对不同工况下的内部流场进行数值模拟，得到压力分布图和速度分布图，并用 Tecplot 进行数据处理，将得到的值与实验值进行比较分析。我们在数值模拟的过程中需要解决的问题是了解 SolidWorks 复杂空间的三维建模，重点掌握如何用 Gambit 对物理模型进行优化，从而得到质量较高的网格，用Fluent 进行数值计算时选取哪些物理参数和计算模型以及边界条件等。1.4 研究方法及措施本文的研究将围绕中开双吸泵内部流动特性的数值模拟展开，利用 CFD 技术对水泵进行数值模拟，可以得到不同流量下水泵不同剖面的压力分布图和速度分布图和任意位置的流动细节，运用流动规律分析进行优化设计，可以减少研究工作量，降低设计成本，缩短开发周期，提高自主开发能力。具体措施为：在软件 Gambit 中导入 Solidworks 所建模型，选用合适的网格类型和数目生成计算网格，并用 Fluent 软件对设计出的模型进行数值模拟和三维流场计算，通过分析泵内流场和总压变化，根据计算结果得到泵内流场的速度、压力分布，预测泵的性能，得到泵的扬程和效率。2013 届本科毕业设计（论文）2 CFD（计算流体动力学）的理论方法简介计算流体动力学是计算机对包含流体流动和热传导等相关物理现象的系统进行数值计算和图像显示分析。它的基本思想可以归纳为：把原有的在时间域和空间域上连续的物理场，如速度场和压力场等，用一系列有限离散点上的变量值的集合代替，通过一定的关系建立起与这些离散点相关的场变量的代数方程组，然后对代数方程组进行求解，得到场变量的近似值 16。2.1 控制方程流体运动受到三大物理守恒定律的支配，包括质量守恒，动量守恒和能量守恒。其中，质量守恒用连续方程来表示，动量守恒用 Navier-Stokes 方程组来表示，能量守恒用能量方程来表示。1) 连续性方程（质量守恒方程）质量守恒，即单位时间内流体的计算区域质量的增加，等于同一时间间隔内流入该计算区域的净质量。(2.1)0)(iiuxt其中， 是密度，t 为时间，u、v、w 是 x、y 和 z 方向上的各个速度矢量。本文中的内部流动假设为定常不可压流动，密度不随时间的变化而变化，所以上式可变为：(2.2)0zwyvxu2) Navier-Stokes 方程（动量守恒方程）动量守恒，即计算区域中的流量的动量对时间的变化率等于外界作用在该计算区域上的各种力之和。(2.3)iiijjii Fxuxutu 2)()(其中， 为常数， 为质量力， 为分子粘性系数。则上式可以简化为：iF(2.4)iiijjiji xxuut 122.2 湍流模型湍流是一种非常不规则的流动现象，湍流的流动远比层流流动要复杂。在湍流中，流体的各种物理参数（压力，速度，温度等）都会随着时间和空间的变化而变化。湍流数值模拟的数值计算方法有直接法(DNS) ，统计平均法，大涡模拟(LES) ，2013 届本科毕业设计（论文）格子 Boltzmann 法(LBM) 。其中，统计平均法包括涡方法、雷诺平均法(RANS)和湍流统计理论。本文所用到的就是雷诺平均法(RANS)。RANS 不是直接求解 N-S 方程，而是求解时均化的不可压湍流动量方程（雷诺方程） 。湍流模型和分为两大类：涡粘性模型和 Reynolds 应力模型。本文主要研究涡粘性模型。在涡粘性模型中，不直接处理 Reynolds 应力项，而是引入了粘性系数，把 Reynolds 应力表示成粘性系数的函数，它包括代数涡粘模型，单方程模型和双方程模型。双方程模型有标准 模型，kRNG 模型和 Realizable 模型。标准 模型的涡粘度用两个参数 k 和 表kkk示，其中，k 表示湍动能， 表示湍动耗散率。紊流应力和应变速度呈线性关系。可是标准 模型存在很多局限，不适合强旋流动。RNG 为修正的 模型，克服了两方程的局限，考虑了旋转流动的影响，对涡粘性进行了修正，对高雷诺数的湍流流动计算模型有效。标准 模型在时均应变力特别大的情况下，可能会导致负k的正应力， Realizable 模型是为了约束这种正应力而得到的模型 16。2.3 Simplec 算法Simple 算法是一种广泛的流体计算方法，它是压力修正法的一种。Simple 算法为 17：假定一个初始压力场，用压力场去解动量方程得到速度场，再利用速度场求解连续性方程，得到修正后的压力值，最后利用修正的压力值更新速度场和压力场，计算结果迭代后，再进行下一次迭代，直至得到收敛解。在 Simple 算法中，为了方便求解，把速度修正完全归结为压差项的直接作用，这种做法会使迭代速度降低。Simplec 算法是 Simple 算法的改进算法。在 Simplec 算法中，速度场和压力场的迭代一致，它的算法为 16：假设一个初始压力场，同时假设一个速度分布，用压力场和速度场求解动量方程中的系数和常数项，将得到的系数和常数项和初始速度求解压力修正方程，得到修正后的压力值和速度值，计算结果迭代后，再进行下一次迭代，直至得到收敛解。2.4 MRF 方法Fluent 用于求解流体流动方程，默认的参考系为静态参考系，但很多情况下都涉及到运动的部分，如本文中开双吸泵内部流动特性的数值模拟，最关键的部分就是旋转叶片处的流动情况，此时，我们选择在运动参考系中进行求解分析。通过使用运动参考系，可以将运动部分在固定参考系中的瞬态问题转化成稳态问题进行求解。计算区域可以采用单参考系方法(SRF)和多参考系方法(MRF)。SRF 模型的整个计算域只涉及到一个旋转系，可是很多运动都包含一些静止非旋转表面，此时无法使用 SRF 模型，要把模型分成流动和固定区域，并将分界面用边界分开。MRF 模型采用稳态近似，可以在各个区域假设不同的旋转或移动速度，若计算区域静止，方程就可以转化为静止系形式。应该注意的是，在转子和定子之间的作用强烈时，不适用 MFR 方法。2013 届本科毕业设计（论文）3 数值模拟本文采用 CFD 技术进行数值模拟，CFD 技术由 4 部分构成，即：数值建模、网格划分（前处理）、计算求解（求解器）和结果分析（后处理）。3.1 数值建模本文所计算的物理模型由浙江飞旋泵业有限公司提供，物理模型实体由导师提供，具体参数实体模型如表 3.1，表 3.2 为实体模型的特征尺度，物理模型如图 3.1所示。表 3.1 原型泵的各项物理参数流量 扬程 转速 轴功率 效率 有效汽蚀余量 叶轮直径型号m3/h m r/min kw % m mm262 82 73.7 79.5328 76 82.7 82125-500A393 70145096.4 77.82.8 475表 3.2 原型泵的特征尺度入口直径 D(m) 0.2入口面积 S(m2) 23.140水密度(kg/m 3) 1000水粘度 Kg/(m*s) 31.0出口直径(m) 0.15出口面积(m 2) 0.01766252013 届本科毕业设计（论文）(a) 叶轮模型 (b) 包络体模型(c)吸水室、压水室、密封体模型 (d) 装配体模型图 3.1 原型泵物理模型图本文利用 Solidworks 对以上三个零件图进行装配。进入装配环境时，利用新建文件中的“装配体”按钮即可进入。单击“插入零部件”属性管理器中的“浏览”按钮依次插入零部件。设定零部件之间的配合关系，得到装配体模型。装配体模型如图 3-1(d)。3.2 网格划分3.2.1 物理模型的优化该模型采用的是六叶片中开双吸式叶轮的结构形式，其中叶片是扭曲的。由于装配体模型结构复杂，流动区域包括固定的流动区域和旋转的流动区域，且有着很多高度扭曲的碎面和碎边，在用 Gambit 划分网格过程中相当复杂，甚至无法成功生成网格。所以，首先要对装配体模型进行优化处理。在优化过程中，首先，模型包括包络体，叶轮，吸水室、压水室、密封体三个基本模型，为了进行数值模型，还加入了进口加长段 1m 和出口加长段 1.2m，从而构成了整体模型。整体是实心的，整体剪掉包络体后剩下不动的流体区域，包络体剪掉叶轮剩下旋转的流体区域，两个区域之间由 interface 进行数据交换，这些过程利用布尔减操作实现。其次，进行碎面合并操作提高网格质量。一般泵的三维模型导入 Gambit 后都会产生很多小面，小边，2013 届本科毕业设计（论文）锐角等。这些都会影响网格质量。利用 Gambit 中工具栏中的几何体清除，将小面或高扭曲面（如图 3.2 所示）进行合并清除。最终完成物理模型的优化，为网格划分做好了准备。图 3.2 模型中的小面和高扭曲面3.2.2 网格划分网格是 CFD 模型的几何表达形式，也是模拟和分析的载体。网格有结构化网格和非结构化网格两种类型。结构化网格的特点是网格质量好，生成速度快，数据结构简单，对曲面或空间的拟合大多采用样条插值或参数化的方法，得到的网格区域光滑，与实际模型接近。可是，结构化网格的适应性较差，只能用于形状规则的图形，不能用于具有复杂边界的流场计算问题，在这种情况下，采用非结构化网格更加合理。因此，进口加长段及出口加长段使用结构化网格，而由于流道复杂，属不规则形状，因此流道的计算区域网格划分采用非结构化网格。叶轮和整体网格的示意图如图 3.3，网格数量分布如表 3.3。(a)包络体网格 (b)整体网格图 3.3 网格结构示意图2013 届本科毕业设计（论文）表 3.3 网格数量分布图3.3 计算求解3.3.1 导入网格文件文件导入的过程中，选取 Fluent 中的三维单精度求解器。读入网格文件的时候曾经碰到过如下的问题：Warning: Unassigned interface zone detected for interface 7.Warning: Unassigned interface zone detected for interface 9.网格检查失败的原因是 interface 没有对应上。因为边界条件设了两个interface，interface7 和 interface9。要解决这个问题可以将 interface 设置成一对，zone1 对应 zone2。网格检查成功后，设置网格计算区域尺寸。本文所导入的网格单位为 mm。然后可以通过显示网格，可以知道各个面网格。3.3.2 计算模型与湍流模型的选取求解器定义时，中开双吸泵内部流动特性的数值模拟假定为不可压气体，稳态的求解方式。对离心泵内部流场进行数值模拟计算时，湍流模型以标准 模型或者 RNG 模型为主。如果需要更精确的模拟旋流效果可以选取 RNG 模型，因此本文选取 RNG 模型。近壁流动应用非平衡壁面函数。在 RNG k模型中， k与 的输运方程分别为 18： ef jti ii kij j jijUkUtxxxx(3.1)2*1ef jti iij j jijCCt kk (3.2)其中， tef， 30*21C， Sijij212，12jiijjiUSx，各项经验常数为： 845.C， 39.， 4.1C，68.C， 3.40， 012.。计算区域 进口加长段 包络体 吸水室、压水室、密封体 出口加长段网格间距 7 5 7 6网格数目 104,533 462,135 430,890 112,9622013 届本科毕业设计（论文）3.3.3 边界条件的设定打开 Fluent 的对话框，对计算区域的边界条件类型进行具体化。计算域的进口采用速度边界条件，参考系相对于相邻单元格区域，入口速度可以根据流量得到：(3.3)360QvD其中， 为入口速度，Q 为流量。同样，可以得到出口速度。v湍流定义方法为湍流强度和水力直径，计算模型中的水力直径 200 mm，湍流强度可以由雷诺数得到：(3.4)RevTur =0.16*(Re)-1/8 (3.5)其中，Re 为雷诺数， 为密度，D 为入口直径，粘性系数 ， 31.0/()kgmsTur 为湍流强度。所得到的基本设置参数如表 3.4。计算域的出口采用出流边界条件outflow。由于流体的物理性质是水，因此从 Fluent 自带的数据库中调出关于水的一些物理参数。设置外壳的流动区域的边界条件，选中 fluid，定义这个区域中的流体为水，运动类型为固定。设置叶轮内部的流动区域的边界条件，选中 fluid，定义这个区域中的流体为水，运动类型为选择参考系模型，即 MRF 方法。旋转速度为1450r/min，即计算中的 151.84rad/s。这样就定义了叶轮中充满了水，并且以151.84rad/s 的角速度转动。此时求解的仅仅是周期性转动在某一瞬时的情况，这样就把非稳态问题转化成稳态问题。流体交换交界面 fluid-inner 和 fluid-outer 的边界条件为 interface。叶片的边界条件类型为 wall，选中 moving wall，说明它是运动的，并设定为相对于相邻单元格区域旋转，说明叶片与叶轮内的流体同步转动。交界面在上述检查网格时已经定义并一一对应。表 3.4 边界条件的设置参数流量 m3/h 入口速度 m/s 出口速度 m/s 雷诺数 Re 湍流强度(%)262 2.3178 4.1205 462173.4796 3.1334295 2.6097 4.6395 520378.8634 3.0873328 2.9016 5.1584 578584.2473 3.0467360.5 3.1891 5.6696 635912.2632 3.0109393 3.4766 6.1807 693240.2792 2.97862013 届本科毕业设计（论文）3.3.4 求解方法的设置及其控制边界条件设置完后，就要设置求解参数，本文中压力和速度耦合采用 SIMPLEC算法，为了在小流量的工况下收敛，压力项选取标准压力，动力、湍流动能、湍流动能耗散率都采用易于收敛的一阶迎风格式。打开残差图，设定残差收敛标准，本文设定为 1e-06，这样就可以得到一个残差曲线图，如图 3.4，说明收敛情况良好。将计算初始化后，开始进行迭代计算。图 3.4 设计工况下的残差曲线图2013 届本科毕业设计（论文）4 结果分析4.1 计算结果与实验结果的比较分析表 4-1 是由浙江飞旋泵业有限公司提供的实验值和 CFD 技术数值模拟得到的计算值的比较。本文给出了三个工况下的基本参数。为了得到较准确的数据比较，在三个工况中增加了两个工况，并对以下五个工况进行了数值模拟。表 4.1 扬程和效率实验值与计算值的比较流量 Q (m3/h) 262 295 328 360.5 393实验值 82 79 76 69 70计算值 83.72 80.85 76.55 69.37 70.43扬程 H (m)误差（% ） 2.10 2.34 0.72 0.54 0.61实验值 79.5 76 82 73 77.8计算值 69.22 71.64 72.37 69.51 74.62效率 (%)误差（% ） -12.93 -5.74 -11.74 -4.78 -4.09要得到扬程和效率，就要得到各个工况下的进出口压力和扭矩。扬程和效率的计算公式如下： (4.1)2outinoutinvHzgg(4.2)10%36QMw其中，H 为扬程， 为出口处的计算压力值， 为进口处的计算压力值。 为出outinoutv口速度， 为入口速度。为管路出口平面至入口管路中心轴线的垂直距离，它invz代表所获得的势能，此处的 ， 为效率，Q 为工况流量，M 为扭矩，w 为角0速度，w=1450r/min=151.84rad/s， 是密度，g 是重力加速度。本文中泵的进出口的选取是关键的内容。泵性能试验规定表距为 0.85m。因此，要得到进出口的压力，我们可以在 fluent 中插入两个面作为进出口。取剖面 x=-0.425m 作为进口，x=0.425m 作为出口。五个工况下的进出口的压力分布图如图 4-1所示。从图中可以看出，随着流量的增加，流道进口的总压升高，流道出口的总压降低，流道进出口的总压差降低。2013 届本科毕业设计（论文）进口压力分布图 出口压力分布图toal-presu27061.948.263548.712609.853.7Frame015May201tiletoal-presu842613579082413906827943061Frame015May201tile(a) 326/Qmhtoal-presu36587.24.13670592.81376.54.326.1504.Frame015May201tiletoal-presu8235914078250376419230576418Frame1May12tile(b) 329/Qmhtoal-presu47608.3.924706.139.5462.389.1540.8372.Frame015May201tiletoal-presu78946132079648321056719403Frame015May2tile(c) 3/Qmh2013 届本科毕业设计（论文）toal-presu584.236710.95478.12609.537.6482Frame015May201tiletoal-presu72804156937816053472981536Frame015May201tile(d) 30.5/Qmhtoal-presu680.15423.680975.24.3681709.265139.8Frame015May201tiletoal-presu746120536259740831724693087152Frame015May201tile(e) 3/Qmh图 4.1 不同工况下的进出口压力分布图至于扭矩 M，我们可以直接从 fluent 中得到，五个工况下的扭矩值如表 4.2。表 4.2 不同工况下的扭矩值流量 Q( )3/mh262 295 328 360.5 393扭矩 M( )N568.71 597.48 622.60 645.69 665.70根据公式(4.1) ，(4.2) ，图 4.1 和表 4.2 我们可以计算得到双吸泵的扬程和效率的计算值，并把得到的计算值与所提供的实验值进行比较，比较结果如表 4-1 所示。图 4-2 和图 4-3 即为扬程和效率计算值与实验值的比较图。从得到的数据和比较曲线可以看出，双吸泵的扬程和效率的计算值和实验值取得了良好的一致，说明此模拟过程和模拟方法可行。2013 届本科毕业设计（论文）01020