离心泵内部空化流动的定常数值模拟及性能预测 (2010年)

为了研究离心泵内部的空化流动，利用fluent软件中的空蚀模型及混合流体两相流模型，对离心泵的三维湍流空蚀流场进行定常数值模拟，并根据模拟结果显示的液相和空泡相流动特征，预测了离心泵在设计工况下运行时流道内空化发生的位置和程度;通过分析空蚀发生过程中叶片上的压力分布，揭示出离心泵流道内部流场的内在特性，最后对泵的性能进行了预测，说明数值模拟可以为离心泵在特定工况下运行时的空化性能预测提供依据。 ### 离心泵内部空化流动的定常数值模拟及性能预测 #### 研究背景与目的 离心泵作为一种广泛应用于工业生产过程中的关键设备，在化工、能源、水利等多个领域扮演着极其重要的角色。然而，在离心泵的工作过程中，常常会出现一种称为“空化”（Cavitation）的现象，这种现象不仅会严重影响泵的运行效率，还可能对泵体造成物理损害。因此，深入研究离心泵内部的空化流动机制，对于提高离心泵的性能和可靠性具有重要意义。 #### 空化现象及其影响 空化是指液体中由于局部压力降低至饱和蒸汽压以下时，液体内部形成气泡的过程。这些气泡随液体流动到高压区域时会迅速破裂，产生强烈的冲击波，对泵体材料造成侵蚀甚至损坏。此外，空化还会导致泵的流量、扬程等性能指标下降，增加泵的振动和噪音。 #### 数值模拟方法 为了更深入地理解和掌握离心泵内部的空化流动特性，研究者们通常采用数值模拟的方法来分析这一复杂现象。本研究中，研究人员选择了FLUENT软件作为主要工具，并运用其中的空蚀模型及混合流体两相流模型来进行三维湍流空蚀流场的定常数值模拟。 #### 模拟过程与结果分析 1. **模型建立**：根据离心泵的具体几何结构建立三维模型，并设置相应的边界条件和初始条件。 2. **空化模型的选择**：使用FLUENT软件提供的Singhal等人研究发展的三维混合流体完整空化湍流模型。该模型能够较好地模拟空化过程中气泡的生成、增长、收缩和破裂等动态变化。 3. **流体属性设定**：根据研究需要设定流体属性，如水的密度、粘度等参数，并考虑到两相流的影响，即液体和气泡的存在。 4. **网格划分**：采用非结构化网格对模型进行网格划分，确保在关键区域有足够的网格密度来捕捉空化现象。 5. **求解设置**：设置合适的求解器参数，包括时间步长、收敛准则等，以保证模拟结果的准确性和稳定性。 6. **结果分析**： - **液相和空泡相流动特征**：通过对模拟结果的分析，可以观察到在设计工况下，离心泵内部不同区域的液相和空泡相流动情况，特别是空化发生的位置和程度。 - **叶片上的压力分布**：通过分析叶片表面的压力分布，可以进一步了解空化过程中流体动力学的变化规律，这对于理解离心泵内部流场的内在特性至关重要。 - **泵性能预测**：基于上述分析，可以对离心泵在特定工况下的整体性能进行预测，包括扬程、效率等关键指标。 #### 结论 本研究表明，通过FLUENT软件进行的定常数值模拟能够有效地模拟和预测离心泵内部的空化流动现象，不仅能够揭示离心泵流道内部流场的内在特性，还能为离心泵在特定工况下的空化性能预测提供科学依据。这对于指导离心泵的设计改进以及提升其运行效率具有重要的理论价值和实践意义。未来的研究还可以考虑更多的实验验证，以进一步提高模拟结果的准确性。