离心泵在石油化工领域有着广泛的应用, 为化工过程的流体输送提供动力来源, 其工作原理是通过叶片的旋转产生离心力来产生压头。理解和掌握离心泵内部流场对其操作和稳定性有着重要的意义。随着计算机技术和计算能力的发展和进步, 计算流体力学 (CFD) 方法越来越广泛的用于化工过程的模拟研究。利用CFD模拟可以在较短的时间里得到流场详细的信息, 不仅为实验提供指导, 还可以为化工设备的优化操作和设计放大提供理论基础。本文采用CFD模拟方法, 对某离心泵流动特性进行数值模拟, 获取离心泵内流场信息, 为离心泵的优化操作和合理设计提供指导。
本文以某离心泵为例, 应用CAD软件构建离心泵的几何模型, 如图1所示。该离心泵包含五个叶轮, 蜗壳及流道。采用gambit软件对其进行有限元非结构网格划分, 如图2所示。其中, 网格总数大约为为50000。入口和出口边界条件设置均为压力入口和出口。其中集流器, 叶轮中心及蜗壳区中流体为静止网格, 叶轮叶片区为多参考系坐标系 (MRF) 。壁面采用无滑移壁面边界条件, 应用标准壁面函数。
在CFD模拟中, 通过求解N-S方程准确描述流体的流动。由于N-S方程本身非常复杂, 只有在极少数的简化和边界条件下存在精确的解析解。一般通过数值求解N-S方程, 即计算流体力学。适用于可压缩粘性流体的运动方程如下式所示:
由于在泵的输送过程中, 所涉及的流体是湍流, 所以采用标准的k-ε湍流模型。其中内部流场采用分离隐式求解器。由于叶轮旋转过程中叶片、轮缘及轴表面以特定的速度旋转, 而管道和保护罩是回转面, 所以整个计算域可视为单一旋转的参考系。由此可知, 采用多参考系 (MRF) 方法来分析旋转部分的流动特征是非常有效的。所以本文对离心式鼓风机的模拟采用MRF方法。
首先, 本文统计了离心式鼓风机出口和入口的流量, 分别为853.66469 kg/s和853.66469 kg/s。可见出口流量与入口流量基本相同, 说明整个模拟流域基本趋于稳定。
利用CFD模拟可以得到离心泵内任意位置的速度和压力的分布。首先分析了整个流场的静压分布, 如图3所示。由图3可知, 从离心泵的流道入口到出口, 压力逐渐增加。在入口和出口处压力都较小, 并且叶轮的前缘压力最大。由此可知, 在蜗舌附近存在一定的负压, 这可能是由于蜗舌附近出现回流造成的。
整个流场的流体速度矢量分布如图4所示。由图4可知, 从离心泵的入口到出口, 流体速度逐渐增加, 在叶轮边缘处, 流体速度达到最大。然而, 由于叶片的旋转作用, 使得流体具有一定的旋转速度分量, 导致叶片周围出现小漩涡。由此可知, 在蜗舌附近存在一定的回流现象, 会对泵体造成一定的冲击。该模拟结果与图3中的静压分布得到的结果是一致的。
本文利用CFD方法结合多参考系 (MRF) 方法对离心泵内部流场进行数值模拟研究。通过分析离心泵静压和流体速度矢量可以发现, 离心泵在蜗舌附近容易发生回流, 从而对蜗壳和泵体本身造成冲击。分析其现象发现, 这可能是由于蜗舌和叶轮的间距较大造成的。因此, 后续设计过程中, 为了避免该处的回流现象, 需要对离心泵的结构进行优化, 减少蜗舌和叶轮的间距。
摘要：理解和掌握离心泵内部流场对其操作和稳定性有着重要的意义。本文利用CFD方法结合多参考系 (MRF) 方法对离心泵内部流场进行数值模拟研究。通过分析离心泵静压和流体速度矢量可以发现, 离心泵在蜗舌附近容易发生回流, 从而对蜗壳和泵体本身造成冲击。分析其现象发现, 这可能是由于蜗舌和叶轮的间距较大造成的。
关键词：离心泵,数值模拟,计算流体力学
