离心泵涡壳内部三维流场的数值模拟（一）

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发表时间：2013/11/26

来源：e-works

1 前言

近来一段时间，江苏的几家泵厂都反映，最近生产的一种离心泵用户使用后都反映有时有水撞击的声音，尽管不太大但是还是会影响泵的性能指标，希望我们能给分析一下，提供一种改善的方法。随着计算流体力学和计算机的快速发展，对于流体机械内部流场的研究也有了很大的进展，但是对涡壳内部湍流场的数值模拟在国内还是很少，本文对涡壳内部的流场进行可视化分析，观察其内部流动情况，依据预测的结果优化相关的设计参数，以保证涡壳具有良好的性能。

2 涡壳内部流场的三维数值模拟 2.1 控制方程 流场的求解，是通过求解雷诺时均、可压缩N-S方程来得到的。通过调整数值算法的有关项，使用于求解可压缩流动的程序可以用来模拟不可压流。控制方程的坐标系是建立在涡壳中心轴上的圆柱坐标系。在此坐标系下的质量、动量和能量守恒方程为： 质量方程：

动量方程：

能量方程：

剪切应力为：

其中eij为：

有效粘性是分子粘性和湍流粘性的和：

式中的湍流粘性是由湍流模型得到的，φ是单位体积的粘性损失，由下式表示：

热通量

为：

这里K和KT分别为分子和湍流的热传导系数。在此处的分析中，假设不存在热通量。 紊流的时均方程：

式中字母上方的横线表示时均值，εν为紊动粘性系数。 在涡壳内部流场计算中使用了一简单的混合长度型涡流粘性模型，在该模型中应用当地自由流混合长度来精确标定混合长度分布并将其修正后用以表示壁面损失。当地自由流混合长度与当地剪切层厚度成正比，当地边界层厚度可以由求解结果中计算所有边界层假设为湍流。 2.2 三维数值模拟 计算条件： （1）给定的条件： 涡壳参数为：基圆半径D=242mm，涡室宽度42mm，流量108m3/h，扬程H=16m，转速 1500r/min，比转速109。 （2）网格划分 采用SIMPLEC算法求解离散方程，导出压力方程，并通过解此方程来修正速度场及压力场， 下图为原来设计涡壳的网格划分情况。

图1 原设计涡壳网格划分