摘要:以某一参数的超低比转速泵的叶轮为研究对象进行研究。通过CFD分析与试验验证相结合的研究方法，对叶轮进行优化设计，最终实现提高效率的目的。数值模拟以NUMECA为计算平台，首先对原始模型进行数值模拟寻找其主要过流部件中的流动缺陷，并做出针对性的修正。通过研究发现小比转速叶轮的进口安放角及子午形状对叶轮内部流场有显著影响。
关键词:CFD；小比转速；性能优化；试验
1.前言
随着计算机技术的快速发展，CFD技术也得到了广泛的应用。本文以NUMECA为计算平台以某一超低比转速泵原始模型为基础对叶轮及压出室进行优化提高整机效率。
低比转速指ns在30到 80的之间，而ns小于30的称之为超低比转速。低比转速离心泵与中高比转速离心泵相比，因为其流量较小、扬程高，致使轴面流道更加狭长、圆盘摩擦损失大，因此效率较低。
本文的研究对象为某一比转速为24的超低比转速化工流程泵，其原始模型额定点性能参数见表 1。用户要求额定点效率在54%以上。图 1为该泵结构图。
表 1原始模型性能参数
方案流量/m3/h转速/r/min扬程
/ m效率
/ %
原始模型240148014050
2.数值模拟及优化
原始模型的数值模拟将分为计算域一双吸叶轮数值模拟及计算域二整机数值模拟两部分。完成原始模型分析后将进行叶轮的优化。得到满意的叶轮方案后，进行整机数值模拟及试验验证。
2.1原始模型建立
采用Proe软件建立原始模型叶轮、吸入室及压出室三维模型。图 2为吸入室、压出室及双吸叶轮与叶片的三维模型。
图 1化工泵结构图
图 2原始模型过流部件模型
采用NUMECA的前处理模块Autogrid5及igg完成叶轮、吸入室及压出室的六面体结构化网格的划分。计算域一及计算域二网格模型见图 3。
图 3计算域一及计算域二网格模型
2.2 控制方程及边界条件
数值模拟在NUMECA中的Fine Turbo模块中进行。湍流模型采用SA模型。计算考虑了连续方程和动量方程及能量方程[1]。
连续方程
（1）
动量方程
（2）
（3）
（4）
能量方程
(5)
其中 ， ,
,ρ是密度，t是时间， 是速度矢量,u、v、w是速度矢量 在x、y、z方向上的分量,p是流体微元体上的压力，Su、Sv、Sw是动量守恒方程的广义源项,CP是定压比热容,T是温度，K是流体的传热系数，ST是粘性耗散项。
数值模拟进口边界条件给定为速度方向、总温、总压，出口给定质量流量。
2.3原始叶轮数值模拟
经数值模拟计算域一扬程151米，效率60.1%分析计算域一流场。图 4显示叶轮内部静压梯度分布合理，叶轮每个流道内都存在2个明显漩涡，一个位于叶片压力面前缘，充满整个流道，另一个在叶片压力面接近中间位置，充满大半个流道。
图 4原始单侧叶轮50%叶高静压及流线分布
针对叶轮内部的两个漩涡对叶片进口安放角、叶片型线及叶轮子午做以优化。研究过程中发现叶轮内部流动对进口角和子午形状尤为敏感，微小的变化都可能引起叶轮内部流场的改变。经过多个方案的优化得到最优叶轮方案imp17。叶轮方案Imp17数值模拟扬程152.2米，效率66.1%。分析imp17流场。图 5显示叶轮内部静压梯度分布合理。对比图 4与图 5发现叶轮imp17内部虽然依旧有漩涡存在，但漩涡尺度明显减小，叶轮效率也有了显著提高。
图 5 imp17单侧叶轮50%叶高静压及流线分布
计算域二及imp17方案整机数值模拟结果见表 2。表 2显示更换叶轮后相对原始方案整机效率有了明显提高。
表 2整机数值模拟结果
方案流量/m3/h转速/r/min扬程
/ m效率
/ %
计算域二2401480140.551.1
Imp17整机2401480141.256.7
3.试验验证
经过试验验证优化叶轮取得很好的效果，优化后整机扬程提高了2米，效率提高了5.3个百分点。试验结果见表 3。
表 3原始方案与最终优化方案试验结果
方案流量/m3/h转速/r/min单级扬程
/ m效率
/ %
原始模型2401480140.050.0
Imp172401480142.055.3
4.结论
经过对此超低比转速泵的分析优化及试验得出以下结论：
1.小比转速叶轮由于包角大，流道狭长导致内部流动不佳；
2.小比转速叶轮内部流动对进口角和子午形状尤为敏感，微小的变化都可能引起叶轮内部流场的改变。
参考文献：
[1] 王福军.计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用 [M].清华大学出版社.2004