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摘 要：双吸离心泵作为通用机械，具有流量大、扬程高、维修方便等特点，应用领域广泛，涉及行业面广。随着迅猛发展的计算流体动力学（CFD）技术，数值模拟技术已经作为一种重要手段来研究流体机械的内部流动规律以及预测流体外部性能参数。本文基于ANSYS FLUENT对某S型双吸离心泵进行分析，从而获得外部参数与内部流动特征。
关键词：双吸离心泵 数值模拟 网格划分
中图分类号：TP391.77 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）09（a）-0089-02
随着双吸离心泵在国内应用的领域越来越广，目前开始重视对双吸泵的全面深入研究工作。国内常用的双吸离心泵型号有 S型、SH 型、SA型等中开双吸离心泵[1]，较早的双吸泵产品性能能否满足市场的高指标高要求有待研究。本文正是对某S型双吸泵模型进行数值模拟分析，从而得出其性能能否满足要求。
1 双吸泵实体建模与网格划分
某S型双吸离心泵的性能参数为流量Q=280m3/h，扬程H=45m，转速n=2950r/min，效率η=79.0%。根据水力模型木模图应用SolidWorks软件，主要采用放样的方法对叶轮、压水室、吸水室进行三维水体建模。
由于双吸泵流道的几何结构复杂，本文应用ANSYS ICEM CFD的非结构化网格中的四面体单元对其进行网格划分，为了液体流动更加平稳，本文在吸水室的前端和压水室的后端分别增加进出口延长段，主要步骤如下：
（1）创建计算域、Part。本文为5个计算域，对每个计算域划分3～5个Part，并对每个Part进行命名区分。
（2）设置网格尺寸并生成网格。既可以设置模型的整体尺寸，如果需要也可以对Part进行加密划分。
（3）合并网格。依次导入压水室、叶轮、吸水室、进水段、出水段的网格文件，完成合并。
经过网格无关性分析，确定网格数量为130万个。网格数量为进水段44334、吸水室518853、叶轮402279、压水室283093、出水段44678。
2 双吸泵内部流场与性能参数分析
2.1 双吸泵数值模拟
本文以清水为模拟介质，选取雷诺平均N-S方法中的标准k-ε模型。应用有限体积法，采用定常、稳态流场进行数值模拟，Fluent主要操作步骤如下：
（1）设置计算模型。选择标准k-ε模型，对于近壁面的处理选取標准壁面函数。
（2）定义计算域。叶轮为旋转区域，转速为2950 rpm，由模型确定旋转轴为Z轴，方向为正。设置静止区域的部分为吸水室、压水室、进水段和出水段。
（3）设置边界条件。
进口边界：进水段的进水面为速度进口。
出口边界：将出水段的出水面设置为出口边界，选择自由流出。
壁面的设定：叶轮前后盖板和叶片的壁面设为旋转壁面，转速为零。其他计算域的壁面设为静止壁面。
（4）设置求解方法。本文对双吸泵进行定常模拟，压力和速度的耦合采用SIMPLE算法更接近试验值。压力插值项采用标准形式，对动量、湍动能、湍动耗散率均选择一阶迎风格式。
2.2 计算结果
本文选取6个工况点进行分析，分别是0.4Q、0.6Q、0.8Q、Q、1.2Q、1.4Q。
双吸泵的扬程计算公式如下[2]：
（1）
式中：Pin、Pout——进、出口单位面积平均总压力，Pa;Δz——进、出口之间的高度差，m。
双吸泵的总效率计算公式如下[3]：
（2）
式中：ηv——容积效率;ηh——水力效率;ΔPd——圆盘摩擦损失功率;Pe——输出功率。
各工况点的扬程、效率性能参数见表1。
其中Q=280m3/h。
2.3 内部流场分析
从叶片静压云图上可以看出，叶片的工作面和背面的压力都是沿着出流方向呈阶梯状逐步增大，工作面的压力大于背面的压力，压力分布是不对称的，分布比较合理，符合双吸泵的流动情况。叶轮的低压区出现在叶轮入口稍后的叶片背面，这部分也是最容易发生汽蚀的地方，随着流量的增加，入口低压区也逐渐减少。
从z=0吸水室、压水室的静压云图可以看出，吸水室的压力均匀在进口处没有变化，在大流量下静压力有梯度的变化。流体进入压水室后，压水室静压在进口处压力较小，随着运动在出口处增大，但是由于流动损失的存在，压水室总压是沿着流动方向逐渐降低的，符合流体力学流动规律。
从叶轮速度矢量图可以看出，叶轮内的流动比较均匀总体良好，叶轮内速度沿流体流动方向逐渐增大，即叶轮进口处流速最小，出口处流速最大，与理论分析的结果相一致。在工况点和大流量情况下，整体的对称性比较好。由于大流量和双吸泵存在冲击损失，所以在速度上，大流量工况要比小流量工况小一些。
3 结语
应用ANSYS FLUENT软件对双吸泵进行数值模拟，对包括设计工况点、小流量点、大流量点在内的6种不同运行工况下进行研究。考虑容积损失和圆盘摩擦损失，通过计算得到了外部性能参数，扬程和效率曲线比较平滑，但是扬程和效率都没有达到设计的要求。获取叶轮、吸水室和压水室的内部压力场和速度场特征，压力与速度分布基本合理，符合双吸泵的流动特性，从而认证了数值模拟的可行性。
参考文献
[1] 关醒凡.双吸泵系列产品的开发[J].水泵技术， 2004（5）：28-32.
[2] 吴贤芳，谈高明，刘厚林，等.叶片出口角对离心泵性能曲线形状的影响[J].农机化研究，2010， 9（9）：166-169.
[3] 刘厚林，谈高明，袁寿其.离心泵圆盘摩擦损失计算[J].农业工程学报，2010，12（22）：107-109.
关键词：双吸离心泵 数值模拟 网格划分
中图分类号：TP391.77 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）09（a）-0089-02
随着双吸离心泵在国内应用的领域越来越广，目前开始重视对双吸泵的全面深入研究工作。国内常用的双吸离心泵型号有 S型、SH 型、SA型等中开双吸离心泵[1]，较早的双吸泵产品性能能否满足市场的高指标高要求有待研究。本文正是对某S型双吸泵模型进行数值模拟分析，从而得出其性能能否满足要求。
1 双吸泵实体建模与网格划分
某S型双吸离心泵的性能参数为流量Q=280m3/h，扬程H=45m，转速n=2950r/min，效率η=79.0%。根据水力模型木模图应用SolidWorks软件，主要采用放样的方法对叶轮、压水室、吸水室进行三维水体建模。
由于双吸泵流道的几何结构复杂，本文应用ANSYS ICEM CFD的非结构化网格中的四面体单元对其进行网格划分，为了液体流动更加平稳，本文在吸水室的前端和压水室的后端分别增加进出口延长段，主要步骤如下：
（1）创建计算域、Part。本文为5个计算域，对每个计算域划分3～5个Part，并对每个Part进行命名区分。
（2）设置网格尺寸并生成网格。既可以设置模型的整体尺寸，如果需要也可以对Part进行加密划分。
（3）合并网格。依次导入压水室、叶轮、吸水室、进水段、出水段的网格文件，完成合并。
经过网格无关性分析，确定网格数量为130万个。网格数量为进水段44334、吸水室518853、叶轮402279、压水室283093、出水段44678。
2 双吸泵内部流场与性能参数分析
2.1 双吸泵数值模拟
本文以清水为模拟介质，选取雷诺平均N-S方法中的标准k-ε模型。应用有限体积法，采用定常、稳态流场进行数值模拟，Fluent主要操作步骤如下：
（1）设置计算模型。选择标准k-ε模型，对于近壁面的处理选取標准壁面函数。
（2）定义计算域。叶轮为旋转区域，转速为2950 rpm，由模型确定旋转轴为Z轴，方向为正。设置静止区域的部分为吸水室、压水室、进水段和出水段。
（3）设置边界条件。
进口边界：进水段的进水面为速度进口。
出口边界：将出水段的出水面设置为出口边界，选择自由流出。
壁面的设定：叶轮前后盖板和叶片的壁面设为旋转壁面，转速为零。其他计算域的壁面设为静止壁面。
（4）设置求解方法。本文对双吸泵进行定常模拟，压力和速度的耦合采用SIMPLE算法更接近试验值。压力插值项采用标准形式，对动量、湍动能、湍动耗散率均选择一阶迎风格式。
2.2 计算结果
本文选取6个工况点进行分析，分别是0.4Q、0.6Q、0.8Q、Q、1.2Q、1.4Q。
双吸泵的扬程计算公式如下[2]：
（1）
式中：Pin、Pout——进、出口单位面积平均总压力，Pa;Δz——进、出口之间的高度差，m。
双吸泵的总效率计算公式如下[3]：
（2）
式中：ηv——容积效率;ηh——水力效率;ΔPd——圆盘摩擦损失功率;Pe——输出功率。
各工况点的扬程、效率性能参数见表1。
其中Q=280m3/h。
2.3 内部流场分析
从叶片静压云图上可以看出，叶片的工作面和背面的压力都是沿着出流方向呈阶梯状逐步增大，工作面的压力大于背面的压力，压力分布是不对称的，分布比较合理，符合双吸泵的流动情况。叶轮的低压区出现在叶轮入口稍后的叶片背面，这部分也是最容易发生汽蚀的地方，随着流量的增加，入口低压区也逐渐减少。
从z=0吸水室、压水室的静压云图可以看出，吸水室的压力均匀在进口处没有变化，在大流量下静压力有梯度的变化。流体进入压水室后，压水室静压在进口处压力较小，随着运动在出口处增大，但是由于流动损失的存在，压水室总压是沿着流动方向逐渐降低的，符合流体力学流动规律。
从叶轮速度矢量图可以看出，叶轮内的流动比较均匀总体良好，叶轮内速度沿流体流动方向逐渐增大，即叶轮进口处流速最小，出口处流速最大，与理论分析的结果相一致。在工况点和大流量情况下，整体的对称性比较好。由于大流量和双吸泵存在冲击损失，所以在速度上，大流量工况要比小流量工况小一些。
3 结语
应用ANSYS FLUENT软件对双吸泵进行数值模拟，对包括设计工况点、小流量点、大流量点在内的6种不同运行工况下进行研究。考虑容积损失和圆盘摩擦损失，通过计算得到了外部性能参数，扬程和效率曲线比较平滑，但是扬程和效率都没有达到设计的要求。获取叶轮、吸水室和压水室的内部压力场和速度场特征，压力与速度分布基本合理，符合双吸泵的流动特性，从而认证了数值模拟的可行性。
参考文献
[1] 关醒凡.双吸泵系列产品的开发[J].水泵技术， 2004（5）：28-32.
[2] 吴贤芳，谈高明，刘厚林，等.叶片出口角对离心泵性能曲线形状的影响[J].农机化研究，2010， 9（9）：166-169.
[3] 刘厚林，谈高明，袁寿其.离心泵圆盘摩擦损失计算[J].农业工程学报，2010，12（22）：107-109.