离心泵内三维流场非对称性及泵受力的数值分析

本文主要探讨了离心泵内部流场的三维非对称性以及这种非对称性对泵受力的影响，并使用FLUENT软件进行了三维湍流数值模拟。以下是对文章中提到的关键知识点的详细解析： 1. 离心泵的工作原理及研究背景：离心泵是一种广泛应用于液体输送的机械设备，其工作原理是利用旋转叶轮对液体做功，实现液体的压力能和动能的增加。离心泵的性能受到其内部流场特性的影响，而工况变化和结构设计等因素会导致泵内部流场非对称，从而引起泵体受到轴向力和径向力的作用，可能产生噪声和振动。 2. 研究对象的选定：本文选取的是一比转速为45的单级蜗壳式离心泵。这种离心泵的泵壳具有非对称的几何结构，叶轮和泵壳之间只有很小的间隙，这些特点使得研究其内部非对称流场成为必要。 3. 使用FLUENT软件模拟：为了分析离心泵内部的三维非对称流场及其对泵体受力的影响，文章使用了FLUENT流动计算软件。FLUENT是一个功能强大的计算流体动力学（CFD）软件，能够模拟各种流体运动问题。 4. 理论计算方法：文章采用雷诺时均方程结合标准k-ε湍流模型来封闭雷诺方程，得到了湍流粘度的表达式。k-ε模型是用于计算湍流粘度的标准模型，通过模拟不同湍流条件下的流动行为。 5. 计算区域和网格划分：计算区域包括从导管入口到泵壳出口的整个流动空间。文章中提到利用FLUENT的前处理程序Gambit生成叶轮、泵壳内的计算区域，并合并网格，创建了四面体网格单元进行模拟分析。 6. 边界条件及多重参考坐标系的应用：在模拟计算中，进口边界条件按照泵设计工况流量值设定，出口边界采用了充分发展条件，壁面边界则采用无滑移固壁条件。FLUENT提供的多重参考坐标系被用于分析含有运动固体边界的流动问题，特别是在叶轮和泵壳之间的动态相互作用。 7. 计算结果及分析：通过模拟分析，本文发现泵叶轮内各通道的流量、流速及压力等分布有显著差异，流动呈现出非对称性。文章还计算了泵体所受到的轴向力和径向力，发现非对称流动会导致较大径向力的产生，这与泵内实际流场的非对称性相符合。 8. 性能预测值与实测值的对比：为了验证数值模拟的准确性，文章还将计算得出的泵性能预测值与实际测量值进行了对比，这是评估模拟结果与真实情况相符程度的重要步骤。 9. 对非对称性及伴随的非稳定问题的重视：尽管已有针对离心泵全流场计算的研究报道，但文章强调了离心泵流动的非对称性及伴随的非稳定问题，这对于预测和改善泵的性能具有重要意义。 以上内容不仅展示了离心泵内部三维流场的复杂性，还突出了流体力学计算技术在现代工程技术中的应用，尤其是FLUENT这类软件工具在复杂流体流动问题的数值模拟中的重要性。通过理解这些知识点，可以更好地掌握离心泵设计和优化的理论基础和技术方法。