工业离心泵内部流场仿真与水力效率提升优化设计

1.离心泵内部流场特性与损失机理

要提升效率，必先理解损失。离心泵内的能量损失主要包括水力损失、容积损失和机械损失。其中，水力损失约占主要部分，且与内部流场特性直接相关，是CFD 分析和优化设计的主要对象。水力损失又可细分为：摩擦损失：流体与过流部件壁面以及流体内部因粘性产生的摩擦阻力损失。冲击损失：在设计工况点以外运行时，流体入口相对速度方向与叶片进口安放角不一致，产生冲击引起的损失。涡旋损失：由于流道弯曲、扩散及分离产生的大量旋涡（如叶轮内的通道涡、尾缘涡，蜗壳内的二次流等）导致的能量耗散。

离心泵内部流动是典型的三维、非定常、湍流流动，具有以下复杂特征：叶轮内的相对运动：流体在旋转的叶轮流道中承受着复杂的科氏力和离心力。动静干涉效应：旋转的叶轮与静止的蜗壳/导叶之间存在强烈的相互作用，是压力脉动和振动噪声的主要来源。流动分离与二次流：在非设计工况或设计不良的流道中，极易发生边界层分离，产生低能流体团和复杂的二次流动结构。

2.基于 CFD 的离心泵内部流场仿真

2.1 三维建模与网格划分

首先，需建立包括进口延长段、叶轮、蜗壳（或导叶）和出口延长段在内的全流道三维模型。高质量的网格是计算精度的基础。对于复杂的叶轮和蜗壳几何，采用非结构化的四面体/多面体网格配合边界层网格（棱柱层网格）是常用策略。近壁区需进行加密，以确保能准确解析边界层内的流动。网格的无关性验证是必不可少的步骤。

2.2 湍流模型选择

雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程是工程应用中最广泛的方法。标准的k-ε模型因其稳定性好、计算经济，常用于初始设计。但对于强旋流、强曲率和流动分离严重的区域，如离心泵叶轮内部，SSTk-ω模型因其能更准确地预测逆压力梯度下的流动分离，而被认为是更优的选择。对于需要捕捉更精细湍流结构和非定常特性的研究，大涡模拟（LES）或分离涡模拟（DES）也被采用，但计算成本极高。

2.3 边界条件与求解设置

进口边界：通常设置为总压或质量流量/速度进口。出口边界：常设置为静压出口。壁面条件：旋转域（叶轮）的壁面设置为无滑移壁面并指定旋转速度；静止域（蜗壳、进出口段）壁面设置为静止无滑移壁面。交界面：叶轮与蜗壳之间的数据传递通过多参考坐标系（MRF）或滑移网格（SlidingMesh）实现。MRF 用于定常计算，假设流动相对稳定；而滑移网格用于非定常计算，能更精确地模拟动静干涉效应。求解器：通常选用基于压力的求解器。通过CFD 计算，可以得到全流场的压力云图、速度矢量图、流线图等，清晰展示低速区、涡核、分离区等不良流动结构，为后续优化指明方向。

3.基于 CFD 的水力效率优化设计策略

3.1 叶轮优化设计

叶轮是泵的“心脏”，其设计直接决定泵的性能。叶片进口安放角β1 和冲角：优化β1 可使流体在设计流量下无冲击地进入叶轮，最小化进口冲击损失。通常通过调整β1 来获得最佳进口冲角。叶片出口安放角β2：β2 是影响泵扬程和功率的关键参数。较小的β2 能获得更平坦的H-Q 曲线，但需结合叶片数综合考虑。叶片包角φ和叶片数 Z：合适的包角能保证流体平滑、引导充分。叶片数过多会增加摩擦损失和阻塞效应，过少则无法充分引导流体，导致流动偏离。存在一个最佳叶片数范围。叶片型线（二维/三维造型）：传统二维圆柱形叶片设计简单，但性能受限。现代高效泵普遍采用三维扭曲叶片，其安放角从轮毂到盖板连续变化，能更好地适应流道内不均匀的速度和压力分布，显著减少二次流和分离流动，是效率提升的关键技术。叶轮进出口直径（D1，D2）和宽度（b1，b2）：这些宏观尺寸决定了泵的基本性能参数（流量、扬程）。其优化需在满足设计要求的前提下进行。

3.2 蜗壳优化设计

蜗壳的作用是将叶轮出口的动能高效地转化为压力能。隔舌安放角与间隙：隔舌与叶轮之间的间隙对泵的性能和稳定性至关重要。间隙过小会加剧动静干涉，产生强烈的压力脉动和噪音；间隙过大会增加容积损失。优化隔舌形状和位置是降低脉动、提升效率的有效手段。断面面积变化规律：蜗壳第八断面的面积应遵循“等速度矩”或特定规律设计，以保证流体在蜗壳内流动顺畅，避免突然扩散或收缩引起的涡旋损失。

3.3 现代优化算法与CFD 的集成

传统的单参数研究法效率低下，且难以处理多个设计变量间的交互效应。现代优化流程是：参数化建模：用一组设计变量（如β1，β2，包角、叶片厚度分布等）来定义叶轮或蜗壳的几何形状。实验设计（DOE）：采用拉丁超立方抽样等方法在设计空间内生成一定数量的样本点。自动仿真循环：对每个样本点，自动生成几何、划分网格、进行CFD 计算并提取目标函数（如效率η、扬程 H）。代理模型（SurrogateModel）构建：基于样本点数据，采用响应面法（RSM）、克里金（Kriging）模型或神经网络（ANN）构建目标函数与设计变量之间的近似数学模型。该模型计算极快，可替代耗时的CFD 计算。优化搜索：利用遗传算法（GA）、粒子群算法（PSO）等全局优化算法，在代理模型上进行快速寻优，找到Pareto 最优解（例如，在满足扬程要求的前提下，效率最高的一组设计参数）。验证：将优化得到的最佳参数组合返回进行高精度CFD 计算，验证优化效果。此流程实现了“自动化设计-仿真-优化”的闭环，极大地提高了设计效率和成功概率。

结语：

综上所述，CFD 数值仿真技术深刻改变了离心泵的设计模式，使其从基于经验的艺术转变为基于科学分析的工程。通过对内部流场的精准洞察，设计者可以清晰地识别能量损失的根源，并有的放矢地进行优化设计。将参数化建模、实验设计、代理模型和智能优化算法与CFD 相结合，构成了现代离心泵水力性能优化的完整技术体系，能够系统性地协调多个设计变量和conflicting 的设计目标（如高效率、高汽蚀性能、低压力脉动），最终设计出综合性能优越的离心泵产品。

参考文献：

[1]李华聪，李嘉，符江锋，等.航空增压离心泵内流场性能数值研究[J].计算机仿真，2013，30(05)：40-45.

[2]申世才，李华聪，吕伟，等.航空发动机高压离心泵的设计与仿真[J].计算机仿真，2011，28(01)： 84-87+102 .

[3]宋淑娥，马驰，潘兴河，等.高压小流量离心泵三维建模及流场分析[J].大连交通大学学报，2009，30(02)：26-29.