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摘要：将CFD技术应用于涡壳设计，基于Navier-Stokes方程和标准K-ε紊流模型，依据三维数值模拟的结果，优化与涡壳设计相关的几何参数，使涡壳内的流态接近于理想流态，从而保证涡壳具有良好的性能。
1 前言
近来一段时间，江苏的几家泵厂都反映，最近生产的一种离心泵用户使用后都反映有时有水撞击的声音，尽管不太大但是还是会影响泵的性能指标，希望我们能给分析一下，提供一种改善的方法。随着计算流体力学和计算机的快速发展，对于流体机械内部流场的研究也有了很大的进展，但是对涡壳内部湍流场的数值模拟在国内还是很少，本文采用应用广泛的CFD商用软件对涡壳内部的流场进行可视化分析，观察其内部流动情况，依据预测的结果优化相关的设计参数，以保证涡壳具有良好的性能。
2 涡壳内部流场的三维数值模拟
2.1 控制方程
流场的求解，是通过求解雷诺时均、可压缩N-S方程来得到的。通过调整数值算法的有关项，使用于求解可压缩流动的程序可以用来模拟不可压流。控制方程的坐标系是建立在涡壳中心轴上的圆柱坐标系。在此坐标系下的质量、动量和能量守恒方程为： （图片） 有效粘性是分子粘性和湍流粘性的和：（图片） 式中的湍流粘性是由湍流模型得到的，φ是单位体积的粘性损失，由下式表示：（图片） 热通量为：（图片） 这里K和KT分别为分子和湍流的热传导系数。在此处的分析中，假设不存在热通量。
紊流的时均方程：（图片） 式中字母上方的横线表示时均值，εν为紊动粘性系数。
在涡壳内部流场计算中使用了一简单的混合长度型涡流粘性模型，在该模型中应用当地自由流混合长度来精确标定混合长度分布并将其修正后用以表示壁面损失。当地自由流混合长度与当地剪切层厚度成正比，当地边界层厚度可以由求解结果中计算所有边界层假设为湍流。
2.2 三维数值模拟
计算条件：
（1）给定的条件：
涡壳参数为：基圆半径D=242mm，涡室宽度42mm，流量108m3/h，扬程H=16m，转速 1500r/min，比转速109。
（2）网格划分
采用SIMPLEC算法求解离散方程，导出压力方程，并通过解此方程来修正速度场及压力场， 下图为原来设计涡壳的网格划分情况。（图片）
图1 原设计涡壳网格划分 结果分析：
下面来进行内部流场的分析，利用FLUENT6.0来进行模拟分析，三维数值模拟中流场边界条件的给定及计算网格区域的划分引于参考文献。
下图为计算模拟涡壳内部的压力和速度分布的情况：（图片）
图2 压力分布图 （图片）
图3 速度分布图 从两图中可以看出，在隔舌处压力降低的较快，而且从速度图也可以看出在隔舌处又出现撞击，水流紊乱的情况，这就会造成液流阻塞，从而引起噪声和振动，运行一段时间后还可能在隔舌处发生汽蚀。
从以上的分析可以看到涡壳的设计需要改进，才可能减小噪声和撞击。对涡壳的水力设计进行修改，把基圆的半径加大2mm，但是不能增加的太大，不然效率会下降很多，再把涡室的宽度也加大3mm，再来进行分析，边界条件和网格的划分都是和上面的一样进行设定。可以得到下面的分析结果，如下图所示：（图片）
（图片）
图4 改进后压力分布图 （图片）
图5 速度分布图 （图片）
图6 中间剖面速度分布图 从图中对比可以明显看出重新设计的涡壳在压力分布及速度分布等方面都优于原来设计的涡壳，特别是压力分布比原来要均匀的多，另外速度的分布也比原来的流动情况好的多，由几家泵厂生产出的新的泵经过试验检测，其噪声很小，另外其效率大约减小0.5%，但是对于延长泵的寿命及减小噪声等方面却有很好的效果，这在实际的应用和运行中得到了验证。
3 结论
应用CFD方法分析流动及燃烧已被广泛应用，可以应用CFD技术比较具体的描述流场内部的流态分布，随着CFD技术的发展，为流体机械的工作者提供了一种新的设计思想和设计方法，依据分析预测得到的三维流场的压力和速度，可以通过调整相关的几何参数，从而保证涡壳具有较好的性能。
12/28/2013
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