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低比转速离心泵叶轮切割的数值模拟与试验研究 摘要 本文通过数值模拟与试验研究了低比转速离心泵叶轮的切割问题。首先,对离心泵的工作原理和流动特性进行了简要介绍。然后,建立了离心泵的三维几何模型,并采用计算流体力学(CFD)方法对其内部流场进行了数值模拟,得到了叶轮切割前后的流场分布情况。最后,进行了实验研究,对数值模拟结果进行了验证。结果表明,离心泵叶轮的切割会对泵的流量和扬程等性能产生一定影响,但切割后的性能变化不如预期。本研究对离心泵的设计和优化具有一定的参考价值。 关键词:低比转速离心泵;叶轮切割;数值模拟;试验研究 Abstract Thispaperstudiesthecuttingproblemoftheimpelleroflowspecificspeedcentrifugalpumpthroughnumericalsimulationandexperimentalresearch.Firstly,theworkingprincipleandflowcharacteristicsofcentrifugalpumpsarebrieflyintroduced.Then,athree-dimensionalgeometricmodelofthecentrifugalpumpwasestablished,andtheinternalflowfieldwassimulatedbycomputationalfluiddynamics(CFD)methodtoobtaintheflowfielddistributionbeforeandaftertheimpellercutting.Finally,experimentalresearchwasconductedtoverifythenumericalsimulationresults.Theresultsshowthatthecuttingoftheimpellerofacentrifugalpumpwillhaveacertainimpactonthepump'sperformancesuchasflowrateandhead,buttheperformancechangeaftercuttingisnotasexpected.Thisstudyhascertainreferencevalueforthedesignandoptimizationofcentrifugalpumps. Keywords:lowspecificspeedcentrifugalpump;impellercutting;numericalsimulation;experimentalresearch 一、引言 离心泵是流体输送领域中非常重要的一种设备,具有结构简单、流量稳定、操作方便等优点,广泛应用于生产和生活的各个领域。离心泵的核心部件是叶轮,其结构形式和切割方式对泵的性能有着重要的影响。目前,国内外对离心泵叶轮的切割问题进行了大量的研究,但主要集中于高比转速泵,而对于低比转速泵的研究相对较少。因此,本文选取低比转速离心泵为研究对象,对其叶轮切割前后的性能变化进行数值模拟和试验研究,为离心泵的设计和优化提供参考依据。 二、离心泵工作原理和流动特性 离心泵是一种转子式的动力机械,其工作原理基于离心力和循环流动的原理。当泵的转子高速旋转时,液体在叶轮的离心作用下产生了一定的压力,从而被强制在叶轮周围产生旋转运动。随着液体周向速度的增加,将液体推向泵的出口处,形成一定的流量和扬程。离心泵的流体力学特性主要包括径向流、切向流和周向流等三种流动形式,其中切向流是离心泵的主要流动形式,也是泵的性能指标之一。 三、离心泵叶轮切割数值模拟研究 (一)几何建模 本研究采用Pro/E软件建立了低比转速离心泵的三维几何模型,如图1所示。图中(a)为完整的泵模型,(b)为切割后的叶轮模型,从切割角度上看,切割方式为1/2切割。 (二)网格剖分 对建立的几何模型进行网格剖分,采用非结构化网格技术,具有更好的适应性和灵活性。在叶轮轴向方向上,网格采用较为密集的剖分,以保证计算精度。网格数目如表1所示。 (三)数值模拟 根据网格剖分结果,使用ANSYSFluent软件对离心泵内部流场进行了数值模拟,采用了k-ε湍流模型。对于计算稳态流动,设置初始速度场为0,采用周期边界条件,设定马赫数为0.2。模拟结果中收敛准则达到0.001,计算过程分为两个步骤:(1)不切割叶轮的情况下,计算离心泵的整体性能;(2)在切割叶轮的基础上,计算切割后的离心泵性能。 (四)数值结果分析 根据数值模拟计算结果,得到了不切割叶轮和切割叶轮的流量、扬程、效率和功率等性能参数,如图2所示。从图中可以看出,切割后的流量和扬程有所下降,但效率提高了约0.5%,