離心泵葉輪內(nèi)部流場的數(shù)值計算.pdf

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1、第28卷2012正第14期7月農(nóng)業(yè)工程學報TransactionsoftheChineseSocietyofAgricultumlEngineering、，01．28NO．14Jul．201247離心泵葉輪內(nèi)部流場的數(shù)值計算譚磊1，曹樹良2※，王玉明1，邴浩2，祝寶山2(I．清華大學摩擦學國家重點實驗室，北京100084：2．清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室，北京100084)摘要：為彌補基于傳統(tǒng)一元理論方法中流場計算的不足，該文基于流體的連續(xù)方程和運動方程，用Fortran語言編程實現(xiàn)了離心泵葉輪內(nèi)部流場的數(shù)值計算，sl流面上采用有限單元法、島流面上采用流線曲率法，2類

2、流面迭代計算直至收斂得到離心泵葉輪內(nèi)部流場分布。對2類相對流面方法計算得到的葉輪內(nèi)部流場進行了分析。結(jié)果表明，葉輪內(nèi)部相對速度分布合理，葉片頭部受沖擊作用．壓力面和吸力而流速相差較大。葉輪內(nèi)部壓力分布從進121到出口逐漸增大，梯度較小，葉輪做功平穩(wěn)，進口處壓力從后蓋板到前蓋板逐漸降低。同時考慮流體的連續(xù)方程和運動方程后，對比傳統(tǒng)一元理論方法的計算結(jié)果，計算得到的軸面速度從后蓋板到前蓋板間各條流線的分布規(guī)律相差較大，在葉輪進口段差別最大，具有較強的三維特征，表明本文數(shù)值計算結(jié)果可更好地反映離心泵葉輪內(nèi)部的三維真實流動規(guī)律。關鍵詞：離心泵，葉輪，流場，數(shù)值計算doi：lO．39698．i

3、ssn．1002—6819，2012．14．008中圖分類號：TH311文獻標志碼：A文章編號：1002—6819(2012)一14—0047—05譚磊，曹樹良，王玉明，等．離心泵葉輪內(nèi)部流場的數(shù)值計算[J]．農(nóng)業(yè)工程學報，2012．28(14)：47—51．TanLei。CanShuliang，WangYuming，cta1．Numericalcalculationsforinternalflowfieldincentrifugalpumpimpeller[_，】．TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(Tr

4、ansactionsoftheCSAE)，2012，28(14)：47—51．(inChinesewithEnglishabstract)0引言1基本方程離心泵是一種將機械能轉(zhuǎn)換成液體動能和壓能的通用機械，在國民經(jīng)濟中占有重要地位111。葉輪是泵最主要的過流和做功部件，許多學者對葉輪設計開展了深入的研究【24】。近年來，基于Navier-Stokes方程和湍流模型的數(shù)值模擬技術已日趨成熟，可較好地模擬流體機械內(nèi)部復雜流動現(xiàn)象[6-231。但基于Navier-Stokes方程的流場計算工作量大、耗時長，很難滿足葉輪反問題設計和優(yōu)化的需要。長期以來，離一fi,泵葉輪的設計采用基于一元理論

5、的傳統(tǒng)方法，該方法僅滿足流體的連續(xù)方程，而不滿足流體的運動方程。因此，在葉輪反問題設計和優(yōu)化中采用理論上更加完善、同時滿足流體的連續(xù)方程和運動方程并能與工程實際應用緊密結(jié)合的流場計算方法是非常必要的。為彌補基于一元理論的傳統(tǒng)方法中流場計算的缺陷，本文基于流體的連續(xù)方程和運動方程，求解蜀流面速度勢函數(shù)方程和受流面速度梯度方程【嬲l，通過2類流面的迭代計算得到葉輪內(nèi)部流場分布，對流場計算結(jié)果進行分析，以期為明確離心泵葉輪內(nèi)部的三維真實流動規(guī)律提供依據(jù)。收稿日期：2011．10．明修訂Fj期：2012-06-12基金項目：國家白然科學基金資助項日(51176088)：中國博士后科學基金面上

6、資助項目(201lM500315)；水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室開放研究基金資助課題(tffdll5e-2012-E-02)；作者簡介：譚磊(1984一)，男，湖南瀏陽人，博士后，主要從事流體機械研究，北京清華大學摩擦學國家重點實驗室，100084。Emaihtanlei@mail．tsinghua．edu．cn※通信作者：曹樹良(1955一)，男．甘肅會寧人。教授．博導，主要從事流體機械研究，北京清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室，100084。Emaihcaoshl@mail．tsinghUa．cdII．∞2類柵攬面分為S1流面和&流面，蜀流面是以軸面流線為母線

7、的回轉(zhuǎn)面，&流面是過葉柵前半徑線匕流線組成的面。1．1S流面基本方程假定流場內(nèi)流體為定常、無黏、不可壓、流動無旋，對S，流面的基本方程[24-251引入保角變換，得到勢函數(shù)方程為』曇∞挈+品(婦爭=”㈩lh=h(y)式中，矗為SI流面厚度，m；妒為速度勢函數(shù)；x、Y分別為保角平面的橫、縱坐標。采用有限元法進行數(shù)值計算。1．2&流面基本方程假定流場內(nèi)流體為定常、無黏、不可壓、流動軸對稱，對足流面的基本方程【雒251引入準正交線，采用流線曲率法，按照圖l中的微