自吸泵內部流動數(shù)值計算

林海斌，詹昌海，孫俊雯，伍鵬，趙子龍，李金富，宋健揚，陳秀芹

（衢州學院機械工程學院，浙江 衢州 324000）

0 引言

自吸泵[1-4]屬自吸式離心泵，它具有結構緊湊、操作方便、運行平穩(wěn)、維護容易、效率高、壽命長，并有較強的自吸能力等優(yōu)點。管路不需安裝底閥，工作前只需保證泵體內儲有定量引液即可，大大簡化了管路系統(tǒng)，改善了工作條件，降低了對工作環(huán)境的要求，廣泛應用于石油、化工、農業(yè)等方面。自吸泵的工作原理是水泵啟動前先在泵殼內灌滿水（或泵殼內自身存有水），啟動后葉輪高速旋轉使葉輪槽道中的水流向渦殼，這時入口形成真空，使進水逆止門打開，吸入管內的空氣進入泵內，并經葉輪槽道到達外緣。因此自吸泵內部流動的穩(wěn)定性是檢驗自吸泵工作穩(wěn)定性的一大重要指標?；诖?，本作品提出了一種針對自吸泵內部流動的數(shù)值計算方式，采用Solidworks[5-7]模型對自吸泵內部流動[8-9]在不同截面下進行數(shù)值計算，獲得初步的不同截面下的靜壓、動壓和總壓特征。

1 不同部位截面靜壓分析

X=0截面靜壓分析：在X=0截面上，流體從入口處到葉輪處及蝸殼處產生的靜壓如圖1所示。

圖1 X=0截面靜壓圖Fig.1 X=0 static pressure diagram of the section

從圖1中可以看到，在蝸殼上產生的靜壓力數(shù)值較為穩(wěn)定，且產生的數(shù)值在整個的流動數(shù)值計算中的靜壓是最大的，數(shù)值為340kPa。從流體入口到葉輪中心，產生的靜壓數(shù)值也是較為穩(wěn)定的，且是X=0截面整個靜壓分析中的最小值，數(shù)值大小為40kPa。但較為明顯的是，在蝸殼上半部分的距離中心位置較為接近處，產生了數(shù)值為20kPa的靜壓。同時，從葉輪的中心入口處到葉輪的上半部分至頂部，靜壓數(shù)值從中心處的40kPa增大為頂部的280kPa。在葉輪的下半部分產生的靜壓數(shù)值與上半部分有一定的出入，從葉輪中心處到葉輪下半部分的頂部，靜壓數(shù)值從中心處的40kPa增大為頂部的300kPa。

X=0截面蝸殼靜壓分析：在X=0截面處，流體從入口流入，在蝸殼上產生的靜壓變化如圖2所示。

圖2 X=0截面蝸殼靜壓圖Fig.2 X=0 section of volute static pressure diagram

從圖2中可以看出，流體流入，在蝸殼上產生的靜壓數(shù)值較為穩(wěn)定，不管是在蝸殼的上半部分還是在下半部分，產生的靜壓數(shù)值大小都是一樣的，數(shù)值大小為340kPa。但在葉輪處附近蝸殼的頂部與底部產生了兩種不一樣的靜壓，在頂部，產生的靜壓由近到遠數(shù)值變化為265～270kPa，在底部，產生的靜壓由近到遠數(shù)值變化為305～310kPa。

Y=0截面蝸殼靜壓分析：在Y=0截面處，流體流入，在蝸殼處產生的靜壓變化圖如圖3所示。

圖3 Y=0截面蝸殼靜壓圖Fig.3 The static pressure diagram of the volute with Y=0 section

由圖3中可以看出位于入口處的蝸殼，產生的靜壓較為穩(wěn)定，靜壓數(shù)值大小為20kPa，在整個的Y=0截面上的靜壓分析中，產生的靜壓數(shù)值是最小的。在入口處兩端位置，產生的靜壓也是較為穩(wěn)定的，且較為對稱，數(shù)值大小為340kPa，在整個的Y=0截面上的靜壓分析中，產生的靜壓數(shù)值是最大的。在其下端，左邊位置蝸殼產生大小不一的靜壓，數(shù)值在280～300kPa之間，右邊位置蝸殼產生的靜壓大小也是不一樣的，數(shù)值在240～280kPa之間，但二者有一個共同點，靠近中心越遠，產生的數(shù)值就大。

Z=0截面蝸殼靜壓分析：在Z=0截面處，由于流體流入，對蝸殼產生的靜壓變化如圖4所示。

圖4 Z=0截面蝸殼靜壓圖Fig.4 Z=0 section of volute static pressure diagram

在圖4中可以看到，在Z=0蝸殼截面上產生的靜壓大小也是不一樣的。其中，在最上部的出口處一直到靠近葉輪蝸殼處所形成的靜壓大小較為穩(wěn)定，數(shù)值大小為350kPa。而此處的靜壓數(shù)值也是整個截面靜壓數(shù)值的最大值。而在其葉輪蝸殼處產生的靜壓大小由靠近中心處到邊緣，呈增大趨勢，數(shù)值在190～320kPa之間，其中最大數(shù)值產生的位置在葉輪蝸殼處的下半部分，最大數(shù)值產生位置在葉輪蝸殼出口處的內邊緣上。并且，從葉輪蝸殼出口處到非葉輪蝸殼區(qū)域，產生的靜壓數(shù)值在310～350kPa之間。

Z=60截面蝸殼靜壓分析：在Z=60截面上，內部液體流動對蝸殼產生的靜壓變化如圖5所示。

圖5 Z=60截面蝸殼靜壓圖Fig.5 Z=60 section of volute static pressure diagram

在圖5中可以看出，在Z=60截面上，流體流動對蝸殼產生的靜壓大小隨著位置的變化而變化的，在蝸殼的右邊位置產生的靜壓數(shù)值大部分為342.05kPa，但有一小部分數(shù)值為342kPa。蝸殼的左邊位置產生的靜壓變化較多，數(shù)值在342～342.05kPa之間。在蝸殼的下端位置，產生的靜壓數(shù)值為342.1kPa。其中較為明顯的是，在蝸殼的最左上端位置處，產生數(shù)值范圍在342.1～342.25kPa之間的靜壓。此處產生的靜壓數(shù)值在Z=60截面上的靜壓數(shù)值為最大值，最小靜壓數(shù)值產生的位置在顏色較為顯藍的位置處，數(shù)值大小為341.75kPa。

Z=0截面葉輪靜壓分析：由于流體流動，在葉輪上產生的靜壓大小在不同的位置也是不一樣的，具體靜壓變化如圖6所示。

圖6 Z=60截面葉輪靜壓圖Fig.6 Z=60 section impeller static pressure chart

從圖6中可以看到，葉輪上產生的靜壓變化還是較為明顯的。在離葉輪中心處較為近的位置，也就是葉片根部產生的靜壓有明顯變化，數(shù)值在-40～0kPa之間變化。其中，-40～-20kPa范圍的靜壓范圍較為少，以0kPa靜壓范圍為主。從葉輪中心處向葉輪外緣方向，靜壓數(shù)值從0kPa轉變?yōu)?80kPa，再從180kPa轉變?yōu)?20kPa。在葉輪邊緣處，產生的靜壓數(shù)值變化較不穩(wěn)定，越靠近邊緣，產生的靜壓數(shù)值越大，邊緣處的最大靜壓數(shù)值為320kPa。同時，可以看到，在每一張葉片上的最尖銳的位置，產生的靜壓數(shù)值是該葉片上產生的靜壓數(shù)值的最大值，每一葉片上產生的最大靜壓數(shù)值都是不一樣的。

2 不同部位截面動壓分析

X=0截面動壓分析：在X=0截面上，流體從入口處到葉輪轉動處的動壓數(shù)值如圖7所示。

圖7 X=0截面動壓圖Fig.7 X=0 section dynamic pressure chart

從圖7中可以看到，流體從入口流入，直到葉輪轉動處以及蝸殼處，產生的動壓較為穩(wěn)定，數(shù)值為20kPa。但在葉輪上，可以看到，是產生這變化的，其中，在葉輪上半部分，動壓數(shù)值從葉輪中心處，也就是葉輪中心入口處到上半部分，動壓數(shù)值從20kPa轉變?yōu)?40kPa。但較為明顯的是，在其中的兩個位置，出現(xiàn)了動壓數(shù)值為160kPa。但在葉輪上半部分的較寬位置處出現(xiàn)動壓下降的現(xiàn)象，動壓數(shù)值從140kPa轉變?yōu)?0～80kPa。在葉輪的下半部分，出現(xiàn)的動壓變化趨勢也是從葉輪中心入口處到下半部分，動壓數(shù)值從20kPa一直上升為200kPa。同樣的，在葉輪下半部分的較寬位置處出現(xiàn)動壓下降的現(xiàn)象，動壓數(shù)值從200kPa轉變?yōu)?0 ～80kPa。

X=0截面蝸殼動壓分析：在X=0截面上，由于流體流入，在蝸殼上產生的動壓數(shù)值變化如圖8所示。

圖8 X=0蝸殼截面動壓圖Fig.8 X=0 volute section dynamic pressure diagram

從圖8中，可以看到，流體從入口流入，在蝸殼X=0截面上的，產生的動壓數(shù)值還是比較穩(wěn)定的，數(shù)值大小為10kPa。但在葉輪轉動區(qū)域范圍內的蝸殼產生的動壓是變化的，其中，在葉輪轉動區(qū)域范圍內的上部分蝸殼處，產生的動壓數(shù)值為50～80kPa之間，在葉輪轉動區(qū)域范圍內的下部分蝸殼處，產生的動壓數(shù)值在50～150kPa之間。在蝸殼X=0截面上產生的最大動壓值的位置在葉輪轉動區(qū)域范圍內的下部分蝸殼處，產生的最小動壓數(shù)值位置為數(shù)值為10kPa的較大范圍處。

Y=0截面蝸殼動壓分析：在Y=0截面上流體流入，對蝸殼產生的動壓變化如圖9所示。

圖9 Y=0蝸殼截面動壓圖Fig.9 Y=0 volute section dynamic pressure diagram

從圖9中，可以得知，流體流動，在蝸殼Y=0截面上產生的動壓數(shù)值變化趨勢為，在蝸殼的較大面積處，產生的動壓較為穩(wěn)定，數(shù)值大小為10kPa。在其蝸殼的中間位置處產生的動壓也是較為穩(wěn)定的嗎，數(shù)值大小也是為10kPa。但在蝸殼的下端產生的動壓及變化則不一樣了，在其下端的左邊位置處形成的動壓數(shù)值在10～140kPa之間變化，而在其下端的右邊位置處，形成的動壓數(shù)值則是在80～140kPa之間變化，但二者有一共同的特性，越往中心接近的位置處，形成的動壓數(shù)值越大。

Z=0截面蝸殼動壓分析：在Z=0截面上流體流入，對蝸殼產生的動壓變化如圖10所示。

圖10 Z=0蝸殼截面動壓圖Fig.10 Z=0 Dynamic pressure diagram of volute section

從圖10中，可以看到，蝸殼在Z=0截面上，從最上端的輸出口的蝸殼處一直到葉輪外緣附近的蝸殼處，產生的動壓較為穩(wěn)定，數(shù)值大小為10kPa。在葉輪區(qū)域處的蝸殼，產生的動壓數(shù)值較不穩(wěn)定，數(shù)值變化范圍在30～90kPa之間變化。其中，在遠離中心位置處的蝸殼產生的動壓較小，靠近中心處的蝸殼產生的動壓數(shù)值較大。在葉輪區(qū)域蝸殼與葉輪外緣區(qū)域蝸殼銜接位置處，動壓數(shù)值由90kPa到10kPa，呈減小趨勢變化。

Z=60截面蝸殼動壓分析：在Z=60截面上流體流入，對蝸殼產生的動壓變化如圖11所示。

圖11 Z=60蝸殼截面動壓圖Fig.11 Z=60 volute section dynamic pressure diagram

從圖11中，可以看到，在蝸殼Z=0的截面上，在右邊處的蝸殼，產生的動壓數(shù)值還是較為穩(wěn)定的，數(shù)值大小為0.05kPa。但在其中間位置處，有一區(qū)域產生的動壓大小為0.15kPa，最右上邊頂部，產生了動壓數(shù)值為0.3～0.5kPa范圍的小區(qū)域。而在其左邊處的蝸殼，產生的動壓側變化較為活躍，在其靠左邊緣位置以及左端頂上位置，產生的動壓數(shù)值在0.15～0.35kPa之間，越往邊緣處接近，產生的數(shù)值越大。而往里接近的范圍位置處，產生的動壓較為穩(wěn)定，數(shù)值為0.05kPa，部分范圍的位置產生的動壓數(shù)值大小為0.15kPa。其中，在蝸殼下端靠近中心處位置產生的動壓變化較為明顯，范圍較為小，數(shù)值變化范圍在0.15～0.5kPa之間變化。

Z=0截面葉輪動壓分析：在Z=0截面上流體流入，對葉輪產生的動壓變化如圖12所示。

圖12 Z=0葉輪截面動壓圖Fig.12 Z=0 Dynamic pressure diagram of impeller section

在圖12中可以看到，在葉輪Z=0的截面上，由于流體流動，對葉輪產生的動壓變化較為明顯，但部分位置還是穩(wěn)定的。在葉輪靠中心處的范圍位置，產生的動壓較為穩(wěn)定，數(shù)值為20kPa。同時，越往葉輪邊緣處擴展，產生的動壓數(shù)值呈現(xiàn)增大趨勢，數(shù)值以20～260kPa的趨勢變化?？梢钥吹?，在葉輪的邊緣處，部分位置產生的動壓數(shù)值較小，數(shù)值大小為20～120kPa之間變化。但在部分葉片邊緣位置處也產生的數(shù)值較大的動壓，數(shù)值大小在300～360kPa之間變化，但范圍較為小。在整合的葉輪形成的動壓變化來看，產生的動壓數(shù)值大小多以200kPa 范圍為主，其次為動壓數(shù)值為20kPa的范圍。

3 不同部位截面總壓分析

X=0截面總壓分析：流體在泵內流動，在X=0截面上產生的總壓變化如圖13所示。

圖13 X=0截面總壓圖Fig.13 X=0 total pressure plot of the section

從圖13中可以看到，流體從右邊的入口處流入，直到葉輪處的中心位置產生的總壓數(shù)字還是較為穩(wěn)定的，數(shù)值大小為20kPa。同時，在中心位置的上部分以及下部分，產生的總壓數(shù)值也是較為穩(wěn)定，數(shù)值大小為20kPa，和流體入口到葉輪處中心位置產生的總壓數(shù)值是一樣的。但在葉輪區(qū)域處產生的總壓數(shù)值變化則較為明顯，可以看到，在葉輪區(qū)域的上部分，產生的總壓數(shù)值由中心處的20kPa，向邊緣處呈增大趨勢變化，直到葉輪頂部較窄位置處，產生的總壓數(shù)值大小為160kPa。但在其最頂部較寬邊緣位置處，出現(xiàn)總壓變小現(xiàn)象，數(shù)值由160kPa轉變?yōu)?0～80kPa之間變化。在葉輪區(qū)域的下部分，從中心處的位置一直到邊緣較窄部分位置處，產生的總壓數(shù)值由20kPa到200kPa，呈增大趨勢變化，但在其最低部較寬邊緣位置處，總壓呈現(xiàn)減小趨勢變化，數(shù)值由200kPa轉變?yōu)?0～60kPa之間變化。

X=0蝸殼總壓分析：流體在泵內流動，在蝸殼X=0截面上產生的總壓變化如圖14所示。

圖14 X=0蝸殼截面總壓圖Fig.14 X=0 total pressure diagram of volute section

在圖14中，可以看到流體在泵內流動，對蝸殼在X=0截面上產生的總壓在蝸殼右邊的，較大聯(lián)通范圍的位置處，較為穩(wěn)定，總壓數(shù)值大小350kPa。但是，在葉輪處的蝸殼位置，產生的總壓變化明顯，在葉輪區(qū)域的上部分蝸殼處位置，產生的總壓數(shù)值由近到遠，由兩側到中心處，呈現(xiàn)增大趨勢變化，數(shù)值在300～350kPa之間變化。而在葉輪區(qū)域的下部分蝸殼處位置，產生的總壓由兩側到中心處，也是呈現(xiàn)增大趨勢變化，數(shù)值在310～450kPa之間變化。

Y=0蝸殼總壓分析：流體在泵內流動，在蝸殼Y=0截面上產生的總壓變化如圖15所示。

圖15 Y=0蝸殼截面總壓圖Fig.15 Y=0 total pressure diagram of volute section

在圖15中，可以看到，在蝸殼Y=0截面上的上部分的左右兩端位置，產生的總壓是較為穩(wěn)定的，數(shù)值大小為360kPa。在其中間位置，則產生的總壓數(shù)值較為小，但較為穩(wěn)定，數(shù)值大小為20kPa，由此看出，上部分由中間向兩側位置所產生的總壓呈增大趨勢且變化較為穩(wěn)定。但在蝸殼的下半部分，產生的動壓則是變化的，在下半部分的左邊位置處，由內側向外側，總壓數(shù)值層減小趨勢變化，數(shù)值由內側的380kPa到外側的360kPa減小變化。在下半部分的右邊位置，由邊緣處向位置中心處，總壓呈現(xiàn)增大趨勢變化，數(shù)值在320～380kPa之間變化，越向中心處靠攏，產生的動壓數(shù)值越大。

Z=0蝸殼總壓分析：流體流動，在Z=0蝸殼截面處產生的總壓變化如圖16所示。

圖16 Z=0蝸殼截面總壓圖Fig.16 Z=0 total pressure diagram of volute section

從圖16中，可以看到，在其Z=0截面上的出口位置，一直到葉輪附近處的蝸殼部分，產生的總壓較為穩(wěn)定，數(shù)值大小為360kPa。而在其葉輪位置處的蝸殼，產生的總壓則不穩(wěn)定，可以看到，越往中心處距離越近的位置，產生的總壓數(shù)值越大，其中，最大數(shù)值為430kPa，最小數(shù)值為300kPa。而在葉輪處的蝸殼位置與非葉輪處的蝸殼位置之間也產生一部分數(shù)值較大的總壓范圍，數(shù)值大小為380kPa，但其范圍則是較小。同時，可以看到，在葉輪處的蝸殼部分較薄位置處，產生的總壓數(shù)值也是較小的。

Z=60蝸殼總壓分析：流體在Z=60蝸殼截面上流動，對其產生的總壓變化如圖17所示。

從圖17發(fā)現(xiàn)，在Z=60截面上的蝸殼上，其左邊與右邊產生的總壓還是有較為明顯的區(qū)別的。在其右邊，可以看到，蝸殼較大范圍的位置處，產生的總壓大小為342.1kPa。但在其靠內邊緣位置處，產生的總壓大小為342.05kPa，但范圍還是較少的。而在其上端位置處，有一范圍區(qū)域產生的總壓數(shù)值呈現(xiàn)342.05～341.9kPa的減小趨勢。在Z=60截面上的蝸殼上的左邊位置處，變化是較為明顯，越往外邊緣處，產生的總壓數(shù)值越高，最高值高達342.45kPa，而在其上端與下端位置處，出現(xiàn)總壓數(shù)值減小的區(qū)域，且數(shù)值都是在342.05～341.9kPa之間變化，而在其余位置處和最下端位置處總壓大小為342.2kPa。

圖17 Z=60蝸殼截面總壓圖Fig.17 Z=60 total pressure diagram of volute section

Z=0葉輪總壓分析：流體在泵內流動，對葉輪在Z=0截面上產生的總壓變化如圖18所示。

圖18 Z=0葉輪截面總壓圖Fig.18 Z=0 total pressure diagram of impeller section

從圖18中，可以知道，在葉輪中心處產生的總壓數(shù)值最小，最小數(shù)值為0kPa，而由葉輪中心處向葉輪外緣處方向，總壓數(shù)值呈現(xiàn)增大趨勢變化，產生的總壓數(shù)值依次為0～50kPa，再從50～150kPa，最后出現(xiàn)的總壓大小為400kPa，但在葉輪的邊緣處，產生的總壓數(shù)值較大，產生的總壓最大值為600kPa，但是范圍較小，整體出現(xiàn)的以總壓數(shù)值為350kPa所占范圍最廣，每個葉片的邊緣處產生的總壓在為葉片中的最大總壓值。

4 結論

本文利用Solidworks模型對自吸泵的內部流動情況進行數(shù)值計算分析，獲得其相關數(shù)據(jù)，從而提高自吸泵的整體使用性能。通過研究初步發(fā)現(xiàn)沿自吸泵葉輪中心處向葉輪外緣處方向，靜壓、動壓和總壓數(shù)值均呈現(xiàn)增大趨勢變化。同時葉輪上產生的最大靜壓數(shù)值、最大動壓數(shù)值和最大總壓數(shù)值均出現(xiàn)在葉輪的邊緣，但是范圍較小。另外，每一張葉片上產生的靜壓數(shù)值的最大值均出現(xiàn)在該葉片最尖銳處，且一葉片上產生的最大靜壓數(shù)值都是不一樣的。這在實際應用時可以使我們有較好的數(shù)據(jù)對自吸泵的工作性能進行優(yōu)化。