叶轮泵内部三维流场的数值模拟bookmark0朱熠（北京精密机电控制设备研究所北京100076）；划分为317438个计算单元。计算中采用标准k双方程模型边界条件为压力进口、压力山口，同时采用Segregated算法。计算结果表明：两种设计工况下的计算结果与设计参数基本上一致，该泵有较好的流动性能和变工况适应性，能满足实际运行要求。

　　0前言离心式叶轮泵的工作原理是利用叶轮高速旋转，其上的叶片对液压油沿着它的运动方向做功，从而使液压油的压力能和动能均有所增加。液压油离丌叶轮后，循着出油室的引导流至出口。山于叶轮不断旋转，使液压油在出口处具有较高的能量，得以连续不断地向前方流去，达到补油增压的目的此，本文采用此模型进行计算。

　　流体在作湍流流动时所遵循的方程：⑴连续方程：⑵动量方程：随着计算流体动力学和相应计算软件的发展，叶轮泵的全二维数值模拟已经成为可能。本文借助FLUENT软件平台，采用Navier-Stokes方程配合标准炎-￡湍流模型对叶轮泵全流场进行了二维数值模拟。考虑分子粘滞力的影响，壁面区域采用壁面函数法处理。压力-速度的耦合采用非结构网格上的SIMPLEC算法。通过对两种实际工况下流场的模拟，得出了一些有的叶轮泵性能信息。

　　声关于湍流动能A和湍流耗散率e，可通过标准he微分方程来计算，其数学描述如下：1模型的建立液压油在叶轮中做非定常流动，采用多系模型（MRF）按照定常流来近似模拟旋转流场。山于该叶轮泵的转速很高，认为流体在整个泵内是湍流流动的。标准he模型需要求解湍动能及其耗散率方程。湍动能输运方程是通过的方程推导得到，但耗散率方程是通过物理推理，数学上模拟相似原形方程得到的。该模型假设流动为完全湍流，分子粘性的影响可以忽略。同时考虑到标准he模型应用多，计算量合适，有较多数据积累和相当精度，因G，是山浮力而产生的湍流动能。

　　=你：，湍流普朗特数=0.85 1.2近壁区流体速度的处理对近壁区的流动，Re数较低，湍流发展并不充分，湍流的脉动影响不如分子粘性的影响大，在此区域内采用壁面函数法。

　　引入两个无量纲参数u+和少+，分别表示速度和距离：热膨胀系数夕rM是在可压缩湍流中过渡扩散产生的波动。

　　对于不可压缩流体流动，rM=代是游涡粘度。=pC―，其中w.是在柱坐标下的带有角速度的仍层流旋度C3e是浮力对耗散率的影响程度tanh，v是流体平行与重力的速度分量，ut是壁面摩擦速度，ut=（tw/p）5，7是壁面切应力；Dy是到壁面的距离。

　　当y+<11.63时，控制体积内的流动处于粘性底层，这时速度沿壁面法线方向呈线性分布，即：u+=y+（7）11.63时，流动出于对数律层，这时速度沿壁面法线方向呈对数律分布，即：￡是与表面粗糙度有关的常数，对于光滑壁面有五=9.8. 1.3计算条件该泵在运行中要求两种工况，进口压力都为零，设计流量均为50L/minL/min，计算中涉及的压力值都采用表压力。工况一为叶轮转数7800r/min，出口压力0.6MPa；工况二为叶轮转数11200r/min，出口压力1.5MPa. 1.4网格划分u是垂直于重力的分量。对于速度方向和重力相同的层流，C3e=1.对于浮力应力层，它是垂直重力造型。然后将实体输出为step后缀的文件，把此文件输入GAMBIT中进行网格的划分。如所示，网格划分采用四面体网格，叶轮室计算单元为239914个，出油室计算单元为77524个。

　　对于叶轮泵进口截面，选用压力进口边界条件；对于管接头末段截面，选用压力出口边界条件。

　　2计算结果及分析2.1计算结果通过FLUENT软件对叶轮泵内部流场进行数值计算，得到相应两个工况下内部流场情况。至为工况一时各截面压力与速度分布；至6为工况二时各截面压力与速度分布。

　　2.2结果分析从和来看，进口截面的法向速度分布比较均匀，在靠近叶轮边缘的边界区域有出现小流量回流的现象。对于流场出口处，根据0，管接头末端截面流速变化很小，流态比较稳定。

　　13和4可知叶轮室内的流态情况，流体进入叶轮室后，周向速度增加导致静压逐渐降低，当流体绕过叶片头部时，山于急速转弯流速进一步加快，在叶片进口处形成叶轮泵全流场压力低区。工况一的低压力为-0.06MPa，工况二的低压力为-0.02MPa.从叶轮流道进口到出口，随着叶轮做功流体的压力和速度逐渐增加，之后流体经过截面积逐渐增大的对数螺旋线流道，压力进一步变大。山于在扩散管进口处流速突然增大，所以出现了压力明显的降低的现象。工况一的高压力区位于对数螺旋线流道的后半段边缘和扩散管出口处，为0.65MPa；工况二的高压力区位于扩散管末端到管接头处，为1.58MPa.、、5和6所显示，流体压力从叶片进口丌始，沿着叶片的表面逐渐增大；速度矢量则是先增大，在接近叶片末端的表面达到大，然后略有减小。同时可以看出，叶片正面的速度矢量比背面的大。

　　可以计算出流场进出口截面的体积流量。两个工况下计算得到的流量均约等于50L/mm，达到了设计要求，同时也验证了流动过程的质量守恒。通过对某批次叶轮泵进行性能试验，在两种工况下，测得实际流量范围是5155L/min，与计算结果比较吻合。

　　3结论用计算流体动力学（CFD）方法分析流场已经被广泛应用，通过数值模拟，可以比较具体地描述流场内部的流态分布。本文采用标准he湍流模型和多系模型对叶轮泵内部流场进行计算，得到二维流场的速度和压力分布，同时可以了解该叶轮泵的性能状况，计算结果与试验数据基本一致。所以，本文中基于叶轮泵内部流场的建模、计算和分析过程，可以为产品的设计提供全新的设计思路和依据。