新型自吸离心泵数值模拟及试验研究马栋棋(福建省机械科学研究院，福建福州350005)值模拟，对泵内部流场的速度矢量、静压、总压分布及流动规律进行分析，预测了泵的效率，并与试验结果比较。数值模拟结果表明：带导流器的射流式自吸离心泵的内部流场速度矢量分布趋于平稳，新型导流器的两个出口压力分布均匀，各流道内的压力近似对称分布，泵在设计点数值模拟计算扬程比试验扬程提高6.9，数值模拟计算效率比试验效率提高0.5，数值模拟预测的性能曲线与试验性能曲线趋势一致。试验结果表明：带导流器的射流式自吸离心泵的性能曲线稳定、平坦，高效率区范围宽，各项技术指标满足设计要求，该泵的效率比国外同类型相同参数泵的效率提高了16.34，同时泵体采用铝合金压铸，大幅度减轻了泵的重量，降低了泵的成本，设计合理，结构新颖，体积小，重量轻，运行可靠，操作方便。

　　基金项目：福建省工商发展资金技术创新项目(闽经贸计财2010排灌机械工程学报自吸离心泵是节水灌溉系统的关键设备，广泛应用于各种苗圃、菜园和草坪灌溉，也可用于城市绿化、降温除尘、建筑供水以及渔业捕捞领域。节水灌溉系统中的自吸离心泵性能的优劣、运行的可靠性及适应性对节水灌溉技术的发展有重要意义，也是发展现代农业生产的关键设备。传统自吸离心泵结构复杂，效率低，泵体大多为铸造工艺，比较笨重。带导流器的射流式自吸离心泵制造采用铝合金压铸工艺，铸件外观质量有明显提升，大幅度减小了泵的质量，降低了泵的成本，提高了泵的效率，其结构简单，体积小，操作方便。

　　文中采用计算流体动力学技术，对新型的自吸离心泵内部流场进行定常数值计算，以预测其性能、减少设计工作环节及试制成本，有效缩短新品研发周期，并为新型自吸离心泵的设计提供一定的理论依据。

　　1计算模型与边界条件1.1泵的性能参数-4.0Q新型自吸离心泵采用半开式叶轮及导流器结构，导流器前盖板与半开式叶轮叶片流线间隙为0.5mm.泵的性能参数分别为流量Q=18m3 /h，扬程H 1.2计算区域及计算方法为采用Pro/E三维造型软件对泵的全流场计算区域进行的分块建模。在建模过程中考虑到叶轮高速旋转时对泵入口速度分布有干扰作用，会导致后续数值模拟过程中过早的数值扩散，故将泵的入口段适当延伸。为保证出口处的流场状态符合预设出口条件的要求，将泵出口段进行适当延伸。

　　新型自吸离心泵结构全流场模型Fig.1Wholeflowfieldmodelofnew为了提高数值模拟的准确性，同时考虑对计算机硬件的要求，采用非结构化网格划分模型。进口、s弯管、叶轮、后腔、导流器、离心泵体、出口等各过流部件网格尺寸分别采用5.0，2.5，1.2，1.8，2.5，4.2，5.0mm，相应的网格数分别为119计算采用多重坐标系模型进行计算，使用SIMPLE算法实现压力和速度的耦合求解。湍流模型选取标准k -模型，计算精度为10-4.采用速度进口边界条件，即在进水嘴进口处根据流量给定速度值;入口湍流取值按水力直径大小及湍流强度给定。出口边界条件设为自由出流形式。

　　对近壁面区域非充分发展的湍流流场采用标准壁面函数进行处理，壁面采用无滑移边界条件。

　　1.3泵外特性预测原理在Fluent软件中，流场中某一点的总压定义为使用Fluent软件中面积分的功能，求出离心泵进、出口的总压。根据伯努利方程计算出离心泵的扬程，即叶轮出口与叶轮进口在垂直方向上的距离。

　　使用Fluent软件中力矩报告功能，求出叶轮对旋转轴的力矩M'，则数值计算中的叶轮输入功率为2计算结果分析2.1泵内部流场分析选取叶轮体前端面(相当于导流器前盖板的内壁面)为参照面，沿叶轮进口方向做水平移场，移场距离用Z表示，计算得到不同Z值时曲面上的速度矢量分布，如所示。可以看出：在Z =0mm变化到Z=0.5mm的过程中，叶轮体内的速度矢量分布有明显的变化，由水体壁面环形的速度分布趋于均匀的星形分布，曲面外缘的高速区明显地变小;Z =0.5mm时高速区分布在叶轮出口处的局部区域。在靠近导流器出口的区域，出现明显的低速区;在导流器前盖板与半开式叶轮叶片流线之间的速度矢量分布变化较大，而在叶轮内速度分布趋于平稳;在z =1.0mm变化到Z=6.0mm的过程中，速度矢量的分布更加均匀并且趋于平稳，叶轮出口处的高速区以及导流器出口附近的低速区变化很小。

　　速度矢量分布为泵内静压分布云图，可以看出：叶轮中静压沿半径方向增大，导流器出口附近区域为高压区;导流器两个出口的结构使叶轮内的压力分布更趋于均匀，各流道内的压力近似对称分布。

　　压不断增大，在叶轮出口其总压达到极大值;在流体流入导流器过程中，动能不断转换为压力能，其中伴随着能量损失，总压出现较大的变化梯度。

　　2.2泵水力模型的试验研究新型自吸离心泵的试验按国家标准GB/T3216―2005回转动力泵水力性能验收试验1级和2级及机械行业标准B/T6664.3―93自吸泵自吸性能试验方法进行。

　　将定常计算得到的泵扬程、效率曲线与试验性能曲线进行对比，如所示。

　　泵外特性预测与试验的对比静压分布为泵内总压分布云图。

　　总压分布由可以看出：在导流器及半开式叶轮中，总压从进口向出口逐渐增大，叶轮外缘在靠近导流器出口附近，总压有较大的极值区，同时总压的变化梯度也较大;流体由叶轮进口流至叶轮出口过程中总由可以看出：扬程随着流量的增大而减小，效率随着流量的增大先增后减，这一规律与试验结果吻合;泵在设计工况点预测扬程为36. 57m，试验扬程为34.21m，预测扬程比试验扬程高6.9;预测效率为55. 56，试验效率为55.29，预测效率排灌机械工程学报比试验效率提高0. 5，而在大流量工况下误差较大。由于计算的造型误差、网格质量以及计算模型等因素都对结果有定的影响，因而误差是无法避免的08.从整体上看，数值模拟预测的扬程、效率曲线与试验的扬程、效率曲线变化趋势基本致，因而新型自吸离心泵的数值模拟结果是可靠的9.由于50SZB35-L0Q新型自吸离心泵采用半开式叶轮及导流器结构，同时泵体采用铝合金压制，大幅度减轻了泵的重量，降低了泵的成本。对比同类型相同参数的泵(见表1)，50SZB35~4. 0Q新型自吸离心泵比本田泵50QBZ35-4.9型自吸离心泵(本田泵)额定点效率提高了16.34.泵的试验结果表明：泵的性能曲线稳定、平坦，高效率区范围宽，使用工况佳。研制成功的新型自吸离心泵是普通自吸离心泵的更新换代产品。

　　表1同类型相同参数泵的性能比较模型泵本田泵标准值实测值3结论在导流器前盖板与半开式叶轮叶片流线之间的速度矢量分布变化较大，而在叶轮内速度分布趋于平稳。导流器两个出口的结构使叶轮内的压力分布更加均匀。泵在设计点数值模拟计算扬程比试验扬程提高6.9，数值模拟计算效率比试验效率提高0.5，数值模拟预测的扬程、效率曲线与试验的扬程、效率曲线变化趋势一致。

　　新型自吸离心泵采用铝合金压铸，大幅度减轻了泵的质量，降低了成本;其设计合理，结构新颖，体积小，运行可靠，操作方便，是普通自吸离心泵的更新换代产品，并且拥有自主知识产权。

　　新型自吸离心泵性能曲线稳定、平坦，高效率区范围宽，各项技术指标满足设计要求。50SZB35- 4.0Q新型自吸离心泵的效率比50QBZ35-L9型自吸离心泵(本田泵)效率提高了16.34.该泵的研制成功为自吸离心泵提供了技术支持，而且作为一种高效节水灌溉设备，具有广阔的市场，将大幅提升我国自吸离心泵产品在国际市场上的竞争力。