《機電技術(shù)》2010年第2期機電研究及設(shè)計制造基于非定常數(shù)值模擬的微型循環(huán)水泵性能預(yù)測鄭煒(福建省機械科學(xué)研究院，福建福州350005 )摘要:為準確預(yù)測微型循環(huán)水泵外特性，分別采用SsT k- o湍流模型和RNG k-ε湍流模型及滑移網(wǎng)格技術(shù)，對微型循環(huán)水泵內(nèi)葉輪、吸水室、環(huán)形壓水室和進出口管的非定常流動進行了數(shù)值模擬，并與試驗進行了對比分析，研究表明SST k-w湍流模型的預(yù)測精度較高。關(guān)鍵詞:微型循環(huán)水泵;湍流模型;非定常:外特性中圖分類號: TH311 文獻標識碼: A文章編號: 1672-4801 (2010) 02-086-03目前，很多學(xué)者應(yīng)用CFD技術(shù)對離心泵進行定C, =0.0845,a, =a, =1.39 .常流動數(shù)值模擬,在指定的工況下對其揚程、軸功7(1-η/n)率、效率等性能參數(shù)進行預(yù)測，以檢驗其性能是否Cin =C1+ βn達到設(shè)計要求"。但同時研究發(fā)現(xiàn)，由于葉輪復(fù)雜的幾何形狀、轉(zhuǎn)動的葉片與靜止的壓水室間的相對C. =1.42,C2e =1.68運動、偏離最優(yōu)工況時吸水室水流圓周運動等因素η=(2E, E)IE10u.0u,使得離心泵內(nèi)部流動呈現(xiàn)非定常流動的特征。為εax, ax,此,本文采用不同湍流模型對微型循環(huán)水泵進行了n。=4.377,βB = 0.012三維非定常計算，預(yù)測了其外特性。應(yīng)用SST k-w湍流模型時，其k和w方程1數(shù)值計算方法如下同:1.1 數(shù)學(xué)模型a(ok)。a(pUk).=R - β'pka+-(4)a[-.)周]對于不可壓縮牛頓流體的非定常流動，笛卡爾坐標系下的連續(xù)方程與運動方程可表示為“”6(oU,)PR -Apke'+叢2w」a(@| a(pu)+V.(pu)=0(1)x,+(1- F)2pσ。218k8wo。,)x, J(5)+V.(u)= ρF-Vp+ pAuoax, ax,式中1-水的密度;式中F,- tan h(arg;)u一ρF一質(zhì)量力:-速度矢量;arg, = min max正500) 40.k( B'oy' y'x) CD.y'」p- -壓力;μ一動力黏度。CD。= max 2pσw',1.0x10~10為了使上述方程組封閉，對于湍流的處理方oax, x,式，本文采用RNG k-ε 湍流模型和SST k-w湍2內(nèi)部流場的數(shù)值模擬流模型。應(yīng)用RNG k-ε模型時，其k和e方程如下“:2.1計算對象及網(wǎng)格劃分a(pk), (phu)__ 8]+G,-pe(2)微型循環(huán)水泵的幾何參數(shù)及設(shè)計工況參數(shù)如下:葉輪外徑=53mm 葉片粉z=8,設(shè)計流量3(p) , a(pEu)。8(a.yu o1+C.=g-c.C (3)Qd=中國煤化工Em，轉(zhuǎn)速n=JYH2940. wra n5-110共口CNM Hea簡圖如圖1所式中Ha=μ+A A=PC,86機電研究及設(shè)計制造《機電技術(shù)》2010年第2期有限體積法對控制方程在空間域上進行離散，變量存儲在控制體中心。壓力項采用二階格式，其上他各項均采用QUICK格式。在時間域上,采用二階全隱格式進行離散。壓力和速度的耦合求解采用SIMPEC算法。本計算中，計算精度為1X 10',為足夠分辨內(nèi)部流場的非定常信息，時間步長設(shè)置為5.669X 10°s,即每-時間步長葉輪轉(zhuǎn)過1°。當計算收斂后時間步向前推進，同時葉輪網(wǎng)格轉(zhuǎn)到新的位置，開始進行新時間步上的計算。進口邊界指定為速度進口條件，其值通過流量和進口過流面積確定，并給定湍動能和湍流耗1-泵體; 2-葉輪; 3-軸端過濾網(wǎng); 4- 鎖緊件; 5-V型圈;散率值。出口邊界指定為自由出流條件,認為泵6-托架蓋; 7-泵體密封墊; 8管接頭密封墊; 9-定子套:內(nèi)流動在出口部分已達到充分發(fā)展狀態(tài)。旋轉(zhuǎn)葉10-止推軸承; 11-止推軸承橡膠墊; 12-定 子繞組;輪與靜止壓水室間動靜交界面的信息傳遞，引入13-轉(zhuǎn)子: 14- 定子套調(diào)整墊; 15-水潤滑軸承;滑移網(wǎng)格技術(shù)”進行處理。16-機殼; 17-中間絕緣紙; 18- 前端絕緣紙3數(shù)值預(yù)測結(jié)果與分析圖1微型循環(huán)水泵結(jié)構(gòu)簡圖2.2計算求解本文選取微型循環(huán)水泵的5個運行工況進行運用Cambit進行網(wǎng)格劃分時，考慮到模型的了數(shù)值模擬，分別為Q/Q=0.6、 0.8、1.0、1.2復(fù)雜幾何形狀，采用適應(yīng)性強的非結(jié)構(gòu)化混合網(wǎng)和1.4. 各工況點的數(shù)值模擬值是對葉片-一個旋格。應(yīng)用RNGk-ε模型計算時網(wǎng)格數(shù)約900000轉(zhuǎn)周期內(nèi)均勻地取了5個時刻的值進行的平均。(圖2),應(yīng)用SST k-w模型計算時對近壁區(qū)進試驗在2級精度試驗臺進行，符合GB/T行了加密處理，網(wǎng)格數(shù)約1900 000。3216- 2005 <回轉(zhuǎn)動力泵水力性能驗收試驗1級和2級》的要求。數(shù)值模擬與試驗得到的外特性對比曲線如圖3所示。揚程曲線824，SSTh-a(6.8心-RNG k(a)吸水室(b)環(huán)形壓水室.-實測值12在店20本4252流量Q(m'b)(a)揚程曲線對比軸功竄曲線(c)葉輪圖2應(yīng)用 RNG k-ε模型時的計算網(wǎng)格中國煤化工RNCR應(yīng)用商用軟件Fluent,采用RNG k-e和SST-實剃值k- w兩種湍流模型對微型循環(huán)水泵內(nèi)部流場進行YHCNMHG-。數(shù)值模擬。首先通過三維定常湍流計算得到定常流量Q(m'h)流場結(jié)果，并作為初場，進行非定常計算。應(yīng)用(b)軸功率曲線對比87《機電技術(shù)》2010年第2期機電研究及設(shè)計制造塑料葉輪，表面光滑且外徑小，所以未對圓盤摩效事曲線擦損失加以修正。采用SST k-w模型與試驗得到的功率曲線在趨勢上基本- -致, 而RNGk-e模型得到的功率曲線與實測曲線偏差較大。在效率的預(yù)測上，最高效率點位置相同，大約在設(shè)計流量十SST ka附近。一實測值在-1.820242市社4結(jié)論流量Q(m't)從微型循環(huán)水泵非定常數(shù)值模擬及其與試驗(c)效率曲線對比的對比可以得出以下結(jié)論:圖3性能曲線結(jié)果對比(1)利用滑移網(wǎng)格技術(shù)及相應(yīng)的湍流模型可從圖3可以看出，在揚程的預(yù)測上，采用兩以很好地模擬微型循環(huán)水泵內(nèi)的三維非定常流種方法與試驗得到的曲線類似，小流量工況數(shù)值動。(2)SST k-w湍流模型較RNG k-ε湍流能更計算值略低于試驗實測值，設(shè)計及大流量工況均好地預(yù)測微型循環(huán)水泵的性能。高于試驗實測值,各工況采用SST k-w模型計算的揚程均比采用RNG k-ε模型計算的揚程誤差小。在軸功率的預(yù)測上，由于微型循環(huán)水泵采用參考文獻:[1]王秀勇,王燦星.基于數(shù)值模擬的離心泵性能預(yù)測[J].流體機械，2007, 35(10):9-13.[2]何秀華.水泵壓力脈動的類型研究[J].排灌機械，1996,14 (4) : 47-50.[3]肖若富, 王福軍,姚志峰.多功能便攜式泵與泵站綜合測試系統(tǒng)開發(fā)[A].2009全國大型泵站更新改造研討暨新技術(shù)、新產(chǎn)品交流大會論文集[C].廈門:中國水利學(xué)會泵及泵站專業(yè)委員會、全國泵站科技信息網(wǎng)，2009, 355- 357.[4] Yakhot V, Smith L ML The Renormalization Group, the E -Expansion and Derivation of Turbulent Models[J].Journal of Scientific Computing, 1992.[5] Menter F R. Mutiscale Model for turbulent flows[C]. 24th Fluid Dynamics Conference. American Instituteof Aeronautics and Astronauticas, 1993.[6] Farrant T, Tan M, Price W G. Cell boundary el ement me thod applied to laminar vortex shedding from circularcylinders [J]. Computers and Fluids, 2001, 30(2): 211-236.[7]徐朝暉,吳玉林,陳乃祥等.基于滑移網(wǎng)格與RNC湍流模型計算泵內(nèi)的動靜干擾[J].工程物理學(xué)報, 2005, 26(1):66-68.[8] GB/T 3216- 2005，回轉(zhuǎn)動力泵水力性能驗收試驗1級和2級[S].作者簡介:鄭煒(1977年-), 男，工程師，主要從事泵類產(chǎn)品檢測。中國煤化工MYHCNMHG88