文章编号：1006-8139（2013）02-001-04
基于 CFX 的离心泵内部流场三维数值模拟
彦 1，2 吴建华 1
麻 （1.太原理工大学水利科学与工程学院 山西太原 030024；2.山西水利职业技术学院 山西太原 030027）
英文歌曲铃声摘 要：基于三维不可压缩流体的 Ｎ-Ｓ 方程和标准 k -ε 湍流模型，采用隐式修正 SIMPLE 算法，利用 CFX 软 件，对离心泵装置进行全流场三维数值模拟，共计算额定转速下 30～80 m 3/h 流量范围内 8 个工况点。对比分析小流量 工况、设计工况和大流量工况下泵装置流态和压力分布，并分析叶片表面静压，揭示内部流动规律，所得结果对预测水力 性能，提高水泵效率及进一步结构优化具有重要的参考价值。
关键词：离心泵；叶片；内流场；数值模拟；CFX
中图分类号：TV131 文献标识码：A
Three-Dimensional Numerical Simulation of Internal Flow Field in Centrifugal Pump Based on CFX利智个人资料
MA Yan ，WU Ji an-hua
中国海军陆战队队歌Abstract: Base d on thr ee -dimension N -S equations and the standard k -ε Turbulence model, adopting SIMPLE algor i thm, thi s paper simulates the whole flow domain in Pum p System by using CFX. The flow regime and the distribution of pressure in the pump are i nvestigated contrastively under these conditions: the small flow r ate condition, the design condition and the flow big rate condition based on the calculat i on of different operating conditions with the flow rates ran ge 30～80 m 3/h at the rated rotating speed, and analyz i ng blade pressure to find out the law of the inner flow of the centr i fugal pump. The result provides theoretical foundat i on for forecasting hydraulic performance and optim i zing centr i fugal pump structur e.
key words: centr i fugal pump ；blade ；i nternal flow fi eld ；numer i cal simulation ；CFX
离心泵因其流量小、扬程高、安装检修方便等特点在工、农
业生产中有着广泛应用。泵内流态对水泵装置性能影响重大，
随着计算流体动力学（CFD ）研究的不断深入以及数值计算软
件的快速发展，相较于模型试验成本高、周期长，数值模拟逐渐
成为流体机械内部流动研究的主要技术手段[1-4]，其计算结果的
可靠性和高效性已获得学界的普遍认可。
本文借助对流体机械适用较好的商用软件 ANSYS -CFX ，
以某蜗壳式离心泵为研究对象，采用三维不可压缩流体的 N -S
方程和标准 k -ε 湍流模型进行不同流量工况下的数值模拟，研
究内部流态，为离心泵的稳定、高效运行、结构设计的优化及山陈怡凡
西省大水网的水泵优化选型提供技术支持。 图 1，通过 CAD 软件接口导入 ICEM 中，用适应性很强的非结
叶轮 进水管 1 几何造型及网格划分
本文以某离心泵为研究对象，数值计算采用的主要参数为：
叶轮叶片数为 6 片，额定转速 2 900 r/min ，流量范围 30～80 m 3/h 。 根据离心泵装置过流部件的结构特点，将整个流体域划分为进
水管、叶轮、蜗壳三个部分。采用三维设计软件 UG 建模，模型如
蜗壳
图 1 离心泵流场三维模型
作，
助教。
麻彦，等：基于 CFX 的离心泵内部流场三维数值模拟 2013 年 5 月
2 σk —与湍动能 k 对应的 Prandtl 数，σk =1.00；
σε—与耗散率 ε 对应的 Prandtl 数，σε=1.30；
c 1，c 2，c μ—经验常数，c 1=1.44，c 2=1.92，c μ=0.09。
2.2 计算方法
采用基于有限元的有限体积法离散上述控制方程，同时应
用高分辨率格式( High Resolution Scheme)离散对流项，压力和
速度耦合方式选择压力-速度隐式修正 SIMPLE 算法，收敛残
差设为 0.0001，泵内介质为清水。
2.3 边界条件
（1）进口边界：进口面按入口质量流进行设定，具体数值跟
据不同流量工况给出 （文中计算 30～80m 3/h 流量范围内的 8 个
工况点），入口湍流取值按水力直径大小及湍流强度 5%给定。
（2）出口边界：取自由出流边界条件，假定流动已充分发
展，并给定平均静压条件。
（3）壁面条件：壁面采用无滑移固壁条件，近壁区速度分布 则采用标准壁面函数处理。 （4）交界
面：旋转部件与固定过流部件交界面间的耦合作 用采用“冻结转子法”（Frozen Rotor ）处理，即叶轮与进水管、叶 轮与蜗壳的交界面均采用动静交界面。
图 2 离心泵流场计算网格
构四面体网格进行网格剖分，且局部加密，以确保计算精度。图
2 为泵装置流体域计算网格，网格总数为 956 108，其中叶轮、
进水管、蜗壳网格数分别为 582 767、87 316、286 025 个，网格
质量良好，满足计算要求。 3 计算结果分析 本文着眼于不同工况下流态分析，设计工况下叶片表面压 力场分析和泵装置水力性能预测。 3.1 不同工况下装置流态分析 选取较有代表性的三个工况分析，为设计工况 1.0Q （Q 为 额定流量）、小流量工况 0.6Q 、大流量工况 1.4Q ，图 3 为在 CFX 后处理中得到的各流量工况下离心泵装置粒子迹线图，图 4 为 中间截面静压分布图。由图 3 可知：①通过叶轮旋转作功，水流
呈螺旋状从叶轮进口流入叶轮流道，经压水室作用至蜗壳出
口。随着流量的增大，流速相应增大，流态处于从不稳定趋于稳
定、再趋于不稳定的变化过程中。②设计工况时，装置内水流在 2 数值计算方法
2.1 控制方程
针对离心泵内部流动为三维不可压缩湍流流动，采用雷诺
时均 N -S 方程和标准 k -ε 湍流模型[5-6]。标准 k -ε 两方程模型
基本形式简单，通用性和精度均较高，能够较好适应工程中大
部分复杂湍流流动[7]。
连续性方程： 坠（ρu ）i /坠x i =0
（1） 动量方程： 坠 μeff ! 坠u i 坠u j + 坠（ρu j u ）i 坠P 坠x j 坠x i =- + （2）
坠x j 坠x i 坠x j
式中：ρ—流体密度； u i 、u j —速度分量； x i 、x j —各
坐标系分量； p —不可压缩流
体的压力； μ—不可压缩流体
粘性系数； μeff —有效粘性系
数。
湍动能方程（k 方程）： （a ）小流量工况
%!μ+ σ "坠x &+P k
-ρε（3） μt 坠（ρk ） 坠（ρku ）i 坠 坠k + = 坠x 坠t 坠x k j
i j
耗散率方程（ε 方程）： %!μ+ σ " ε 坠x k &+ 坠（ρε） 坠（ρεu ）i μt 坠 坠ε ε （c 1P k - + = 坠x 坠t 坠x i j
j c 2 （b ）设计流量工况
麻彦，等：基于 CFX 的离心泵内部流场三维数值模拟 第 2 期（总第 188 期） 3
转向、扩散过程中均匀、平顺，未发现有回流和漩涡产生，流态 较好。而大流量时，蜗壳中水流呈交织状流至隔舌附近再渐变 为平顺水流至出口，在蜗壳出口管段出现明显偏流，主流偏向 流道内侧，且外侧水流紊乱。小流量工况下，流体到达叶轮出口 时流速较小，易引起回流，能量损失较大，靠近隔舌处叶片流道 速度过低，出现较大偏流。
从图 4 可以发现：①不同工况下，叶轮内压力分布趋势基 本一致，随叶轮半径增大而增大。离心泵流场压力随入口流量
增大而增大，但流量越小时，叶轮进口区产生的负压越大，负压
状况越明显，易推测，流量越小，叶轮进口区越易产生汽蚀。② 流体进入蜗壳出口段弯管后，由于水流的冲击作用，弯管内侧 流速高于外侧，使内侧压力相对较小，而外侧压力相对较大，流 量越大，两侧压力差也越大，以致大流量工况下，弯管内侧易出 现漩涡。③蜗壳几何结构呈不对称性，在蜗壳和叶轮的相互作 用下，叶轮内压力分布也表现出非对称性，同一工况下不同叶 片流道间压力分布有差异，流量越大，差异越显著。 3.2 设计工况下叶片表面压力分布
（c ）大流量工况 图 3 离心泵装置粒子迹线
（a ）小流量工况
工作面 背面
图 5 叶片表面压力分布
图 5 为离心泵装置设计工况时隔舌附近叶片工作面和背 面压力分布，从图可知：①叶片压力从叶轮进口区域至出口区
域逐渐增大，工作面和背面压力分布趋势基本相同，但在相同
叶轮半径上，背面压力始终比工作面压力小，与叶片工作原理 相符。②流体自入口进入叶轮后，受叶轮高速旋转的作用，速度 瞬间增大，且受到叶片前缘的冲击，背面产生回流，因此在叶轮 入口处叶片背面附近出现一块负压区，易发生汽蚀，这与叶片 实际产生汽蚀的位置基本一致。
3.3 水力性能预测
根据 CFX 后处理提供的力矩值和压力值报告，由泵扬程 和效率计算公式可以对该离心泵装置水力性能进行预测。
扬程计算公式：
（b ）设计流量工况 H= P out -P i n （5） ρg
效率计算公式：
6）
汪建民 宝妈
麻彦，等：基于 CFX 的离心泵内部流场三维数值模拟 2013 年 5 月 4 式（5）、式（6）中， P i n 、P out —进口和出口处总压； H —扬程； Q —流量； ρ—流体的密度； n —叶轮旋转速度； M —叶轮绕 Y 轴扭矩。 由数值模拟的各工况计算结果及以上两式，可绘出扬程曲 线与效率曲线，如图 6。
法能够准确分析离心泵内部流动，缩短离心泵开发周期，提高 优化质量。
（2）由于叶轮与蜗壳相互作用，叶轮内流场表现出非对称 性，分析隔舌附近叶片表面压力分布，工作面和背面压力沿径 向逐渐增大，分布趋势基本相同，同叶轮半径上，工作面压力高 于背面压力。
（3）由数值模拟的结果分析，离心泵在设计工况时压力分 布均匀、流态稳定，效率最高，低于或高于设计工况运行都难以 达到最佳工作效果，应尽可能使离心泵在高效区运行。
（4） 该研究成果对于目前山西省大水网的水泵优化选型、 推动泵业技术的发展具有积极的指导作用。 （5）本研究的对象介质为清水，关于多沙河流条件下的供 水水泵的结构优化设计将是下一步研究的方向。
如果我变成回忆 歌词参考文献
［1］潘中永，李晓俊，袁寿其，等．CFD 技术在泵上的应用进展［J ］．水泵技
术，2009(1)：9-14.
［2］Tang Fangping, Wang Guoqiang. Influence of outlet gu i de vanes upon
performances of waterjet axial -flo w pump ［J ］. Journal of Shi p Mechan i cs, 2006, 10(6): 19-26.
［3］杨帆，刘超，汤方平，等．大型立式轴流泵装置流道内部流动特性分
析［J ］．农业机械学报，2011，42(5)：39-43.
［4］谢洁飞，李香桂，杨辉．基于 CFD 的离心泵内部流场数值模拟与性
能预测［J ］．中南林业科技大学学报，2010(3)：129-132.
［5］王福军．计算流体动力学分析—CFD 软件原理与应用［M ］．北京：
清华大学出版社，2004.
［6］任志安.离心泵内流动数值模拟研究［D ］．中国石油大学（华东）硕士
学位论文，2009.
［7］杨倩.基于不同湍流模型的离心泵内部流场数值模拟与分析［D ］．兰 州理工大学硕士学位论文，2010. 3 -1 Q/m .h 图 6 离心泵装置性能曲线 4 结论 （1）基于商用 CFX 软件，以计算流体力学原理对不同工况 下离心泵装置内部流态进行数值模拟，对比分析其计算结果， 揭示不良流态，探寻内部流动规律。结果表明使用数值模拟方 H /m η/%
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