对于化工离心泵叶轮内部湍流流动的分析
摘 要：为研究离心泵内部伴有盐析的复杂液固两相流动问题 ，首先需要了解在清水状态下 ，其内部真实流动现象的物理本质. 为此 ，基于 N - S方程和标准的 k - ε湍流模型 ，利用 FLUENT 6. 1 对清水状态下离心泵叶轮内部的三维湍流场进行了数值模拟 ，并运用先进的测量仪器 P IV 对改进设计后的化工离心泵叶轮内部流场进行了测量 ，给出了其相对速度分布图. 同时 ，结合数值计算与试验研究 ，对离心泵叶轮内部流场进行了初步分析. 试验结果表明 ，计算所采用的模型的修正方法基本符合离心泵内部流动的实际情况。
关键词：离心泵叶轮；湍流流动；内部流动；分析
引言：叶轮机械内部伴有盐析的液固两相流动这一基 子图像速度场仪 P IV 直接应用于泵内部流场的研基础科学问题一直是学术界和工程界的难题.在国际国内已经得到了普遍的认可，实际应用 浆造纸、石油化工等行业中 ，离心泵内部结盐现象相 的例子越来越多。由于粘性的影响及伴有盐析的液固两为揭示卤水在叶轮内部流动的真实情况相流动 ，使离心泵叶轮内部流动非常复杂。首先着眼于在清水状态下 ，离心泵叶轮内部流动情离心泵内部流场的研究 ，多年来一直受到了许情况的研究. 拟采用数值计算的方法求出离心泵叶轮，很多学者的高度重视 ，以往普遍采用的探针只能对流内部的速度场和压力场的分布 ，并利用 P IV 对叶轮场进行单点测量 ，由于激光测量技术的发展 ， 将粒内部流动情况进行试验验证。
一、离心泵内部流场的数值模拟
1.基本参数
数值模拟的离心泵的基本参数 ： 流量 Q =25 m3 / h， 扬程 H= 20 m， 转速 n = 2 890 r/m in. 数值模拟的基本假定是：工作介质为牛顿流体且局部各向同性. 再把叶轮三维模型导入到 GAMB IT中进行网格划分. 作者采用非结构化网格对计算区域进行离散， 为提高网格质量及加快求解速度运用了局部加密技术.
2.控制方程
基于 N - S方程和湍流模型， 模拟离心泵叶轮内 部的三维湍流， 其连续性方程和动量方程可以描述为
Ex + F y + Gz = S。
3.湍流模型
为了封闭方程 （ 1） ， 还需给出湍流模型， 采用标准 k - ε湍流模型， 该模型的控制方程组如下：ρui k -μekx= Gk - ρε，x， y， z方向； Gk 为湍动能产生项，Gk =μt[ （ uy + vx ） 2+ （ vz + wy ） 2 + （wx + uz ） 2 + 2 （ u2x + v2y + w2z ） ]； 各常数分别定义为 Cμ = 0. 09，σk = 1. 0， σε = 1. 3， C1 =1. 44，C2= 1. 92。
4.边界条件
根据离心泵叶轮进口的特点， 由质量守恒定律和进口无旋的假设确定轴向速度， 并假设切向速度和径向速度为零. 湍动能的进口值取进口平均动能的 0. 5 % ； 进口处湍动能耗散率按湍动能和进口特征长度计算， 即ε =Cμ3/ 4 k3in/ 2Kyin，式中， kin 为进口处的湍动能； yin 为近壁计算点到壁面的距离； k为卡门常数， 取 K = 0. 假定出口边界处流动已充分发展， 出口区域离开回流区较远， 出口处的速度由上游一层网格点的速度值推延而得. 固壁上满足无滑移条件， 即相对速度 w = 0； 压力应满足 N eum a， 即第二类边界条件5p / 5n = 0； 湍流壁面条件采用壁面函数边界条件。
5.计算结果
二、叶轮内部流场的 P IV 测量
1.测试系统
采用的测试仪器是美国 TSI公司生产的 P IV 系统 ，其中激光工作频率为 15Hz，发出波长为 532 nm ， 单个脉冲能量为 120 mJ； CCD 相机分辨率为 1 248 ×1 024 像素 ，最大图像采集率可达到 7. 5帧 /秒；同步器用来协调激光和相机的工作时序. P IV 系统的控制和图像采集分析由 Insight 5. 0软件实现 ，工作平台是 W indow s 2000. 该软件系统组成示意图。
2.测量结果
测试所得到的速度为叶轮内部液体的绝对速采用直径为8μm 的三氧化二铝作为示踪粒子，按照速度三角形分解为相对速度 ，这里仅给出各验工况以及所测的叶轮均与数值计算的相同.
3.内部流场的分析
通过内部流场的计算，可以获得流场内部任意点、面和体的速度及压力分布情况，这是实验测试难以比拟的。以下对比不同湍流模型在设计工况（Q=Qd=3.06L/S）和不同流量下进行流场计算得到的，沿流道进口到出口，静压分布逐渐增大，且分布比较均匀，各个模型在靠近进口和压力面都存在低压区，而进口处出现负压，所以易发生空化现象。现大的流动分离。在叶片压力面附近有低速区的出现总体趋势一致。这验证了上面的分析。RNGk-ε 模型、RSM 模型和Realizablek-ε 模型在靠叶片进口出现冲击现象，它改变流动方向，发生流动分离，发展成一小涡流，但标准K-ε模型没有发现分离和小涡流。
三、计算结果与试验结果分析
力面相对速度相差较大 ，因此叶片负荷较大. 随着半径增大 ，吸力面流速逐渐变小 ，压力面相对速度逐渐大在设计流量下 ，在半径较小靠增大 ，吸力面与压力面的相对流速差逐渐减小.近叶轮进口处 ，叶片吸力面附近相对速度比压力面比较小，相对速度高 ，相对速度最高位于吸力面进口处压力面相对速度下降 ，这与势流理论预测的量下 ，从叶片进口到叶片出口的相对流速变化较平顺 ，分布较合理；小流量工况下 ，在叶片压力面附近有较大的低速区 ，但相对速度变化缓慢 ；大流量工况下 ，在叶片压力面附近的低速区变小。
结语：数值计算的结果 ，符合叶轮机械内特性的一般规律 ，而且与 P IV 的测量结果总体趋势基本吻合 ，这表明了利用 FLUENT进行数值模拟的正确性； 数值计算结果与实测结果在数值上有一定差别 ，原因有三方面 ，数值模拟是基于 k - ε模型的修正 ，不完全符合离心泵内部流动的实际情况 ；在试验方面 ，由于过分考虑了方便 P IV 测量 ，而采用了较大的泵腔 ，影响测量的结果；在试验过程中 ，泵后盖处产生的大量的空氣泡也会影响试验结果的准确性。
参考文献：
[1]杨敏官 离心泵叶轮内部三维湍流流动的分析 [ J ]. 江苏大学自然科学版 ，2015（ 01）
[2]林敏 离心泵叶轮内部湍流流场的数值模拟[ J ]. 福建大学学报2013（08），