海水泵的數(shù)值模擬與試驗(yàn)分析

張化川 范祖相 王東柱 徐劍云 于 健

（1.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一一研究所，上海 201203；2.上海齊耀動(dòng)力技術(shù)有限公司，上海 201203）

前言

隨著我國(guó)船舶事業(yè)的高速發(fā)展，重大裝備國(guó)產(chǎn)化步伐的不斷加快，船用海水泵作為船上海水系統(tǒng)的重要組成部分，它的高效性、穩(wěn)定性和安全性顯得尤為重要。本文研究對(duì)象為我司試研制的4葉片高比轉(zhuǎn)速大型立式海水泵，通過(guò)VC++程序?qū)σ阎~輪水力數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和葉片三維造型。采用STAR-CD軟件，基于雷諾時(shí)均方程、標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型以及SIMPLE算法，對(duì)葉輪及蝸殼內(nèi)部三維不可壓縮流體進(jìn)行數(shù)值模擬[1]，得到了海水泵內(nèi)部流場(chǎng)分布情況，并預(yù)測(cè)了揚(yáng)程效率曲線。

一、三維造型

在VC++下通過(guò)包角變換及流線迭代法生成葉片骨線，導(dǎo)入U(xiǎn)G中通過(guò)曲線網(wǎng)格直接生成帶圓角的葉片三維造型，如圖1。

圖1 葉輪及UG成型圖

二、數(shù)值方法

1.網(wǎng)格劃分

在ANSYS-ICEM和STAR-CD的前處理Pro-star中完成網(wǎng)格劃分，采用四面體和六面體的混合網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格總數(shù)140萬(wàn)：

2.計(jì)算方法

對(duì)于海水泵中不可壓縮流體的恒定流動(dòng)，根據(jù)Boussinesq渦黏性假設(shè)，連續(xù)性方程和動(dòng)量方程可寫成張量形式：

p*——包含湍動(dòng)能k的等效壓力

p——介質(zhì)密度

Fi——相對(duì)坐標(biāo)系中的單位質(zhì)量力

eμ——有效黏性系數(shù)，分子黏性系數(shù)μ與湍流渦黏性系數(shù)τμ之和ui、uj——靜止坐標(biāo)系中流體的速度分量標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型為

τμ——湍流渦團(tuán)黏性系數(shù)

Gk——由平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)

C1ε、C2ε、Cμ、σε——常數(shù)

在上述湍流模型中，經(jīng)驗(yàn)系數(shù)C1ε=1.44,C2ε=1.92,Cμ=0.09，

3.邊界條件

在計(jì)算域進(jìn)出口邊界條件分別采用速度進(jìn)口和outflow出口，吸入室、葉片表面、前后蓋板和蝸殼的內(nèi)表面上均采用無(wú)滑移固壁邊界條件。

三、計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)分析

1.計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)分析

最高效率點(diǎn)出現(xiàn)在設(shè)計(jì)工況1.0Qd，而CFD分析與試驗(yàn)得到的整機(jī)最高效率均出現(xiàn)在0.83Qd的小流量工況，并非在設(shè)計(jì)工況1.0Qd達(dá)到最高。流場(chǎng)分析與試驗(yàn)結(jié)果均表明已設(shè)計(jì)的蝸殼水力效率偏向于小流量工況，在此工況下內(nèi)部損失最小，效率最高，而在設(shè)計(jì)工況1.0Qd整機(jī)效率偏低，葉輪和蝸殼的性能并未達(dá)到最佳的匹配效果[2]。

圖2 蝸殼斷面

由上式及圖2可知，在葉輪出口速度周向分量Vu不變的情況下，斷面面積增加可使蝸殼單位時(shí)間內(nèi)流量增加。在葉輪及其他設(shè)計(jì)參數(shù)確定的情況下，只有保證設(shè)計(jì)工況下對(duì)應(yīng)合理的蝸殼斷面面積才能滿足葉輪與蝸殼特性上的最佳匹配，這樣葉輪及蝸殼內(nèi)各項(xiàng)損失最小，會(huì)呈現(xiàn)出高效率。筆者又對(duì)蝸殼各斷面面積進(jìn)行了放大，計(jì)算結(jié)果如表1所示最優(yōu)工況點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了偏移，并在設(shè)計(jì)流量1.0Qd實(shí)現(xiàn)了整機(jī)效率最高，這也與上述理論分析吻合。

表1 蝸殼斷面面積放大前后效率對(duì)比

四、結(jié)論

1.在清水開式試驗(yàn)臺(tái)遵照一級(jí)離心泵驗(yàn)收試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：ISO9906進(jìn)行了性能試驗(yàn)，結(jié)果表明，試驗(yàn)與CFD預(yù)測(cè)所得的性能曲線吻合較好。但樣機(jī)試驗(yàn)效率并不能完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。結(jié)合上述CFD分析與試驗(yàn)情況，蝸殼斷面面積偏向小流量工況，進(jìn)口沖角過(guò)大為影響本機(jī)整機(jī)效率的主要因素，可通過(guò)增大蝸殼斷面面積以及適當(dāng)減小進(jìn)口沖角，盡量滿足設(shè)計(jì)工況下無(wú)沖擊進(jìn)口條件，來(lái)進(jìn)一步提高整機(jī)效率。

2.在邊界條件接近實(shí)際的情況下，STAR-CD軟件可較真實(shí)地反映海水泵葉輪內(nèi)部的液體流動(dòng)，并預(yù)測(cè)其性能。但在嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)工況，流動(dòng)條件惡化的情況下，現(xiàn)有的湍流模型還不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)泵內(nèi)實(shí)際流動(dòng)情況，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)偏差變大，但依然能夠預(yù)測(cè)性能曲線的大體趨勢(shì)，對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)有很好的建設(shè)性作用。