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摘要：离心泵是一种广泛应用于流体输送的装置，在各种工况下都具有出色的性能。本文利用计算流体力学（CFD）方法，对离心泵在极大流量工况下的内部流场进行数值模拟分析。通过对泵体叶轮、泵壳和进出口管道等关键组件进行逐一分析，得出了泵内部流场的流速分布、压力分布和湍流强度分布，同时对流场中的涡量、涡旋对、垂向流量和径向流量等流动特征进行了详细描述。分析结果表明，在极大流量工况下，离心泵内部存在明显的二次流和三次流，且预旋部分流速较快，压力较低；泵叶轮处流场垂向流量、径向流量和涡量都非常明显，对泵出水口处的流速分布和压力分布产生重要影响。该研究对优化离心泵的性能和设计具有一定指导意义。
离心泵是一种广泛应用于流体输送的装置，其结构简单、性能可靠、适用范围广，已成为市场上最常用的泵之一。离心泵目前主要应用于供水和排水、空调循环、工业用水等领域，其性能取决于设计参数和工况，因此对离心泵内部流场的深入研究对优化泵的性能和设计具有重要意义。
本研究利用计算流体力学（CFD）方法，对离心泵在极大流量工况下的内部流场进行数值模拟分析。主要包括对泵体叶轮、泵壳和进出口管道等关键组件进行逐一分析，从而得出泵内部流场的流速分布、压力分布和湍流强度分布，同时对流场中的涡量、涡旋对、垂向流量和径向流量等流动特征进行了详细描述。分析结果表明，在极大流量工况下，离心泵内部存在明显的二次流和三次流，且预旋部分流速较快，压力较低；泵叶轮处流场垂向流量、径向流量和涡量都非常明显，对泵出水口处的流速分布和压力分布产生重要影响。该研究对优化离心泵的性能和设计具有一定指导意义。
数值模拟使用了基于有限体积法（FVM）的CFD软件ANSYS Fluent ，体系结构采用十字流量控制器（CFC），工作流量为1500m³/h，转速为1450rpm。模拟范围包括泵体叶轮、泵壳、进出口管道等关键部位，仅在假设流动为可压缩的Newtonian流体前提下进行。叶栅间隙固定，为25mm。模拟过程中，泵体壳外壁、进出口管道上壁和下壁都被影响，而出水管道只受下壁影响。
模拟中需要对流体的运动强度进行修正，采用了奥斯维尔金数与雷诺数分别作为修正的标准，同时设定了合适的网格密度和边界条件，用于控制计算误差。
流速分布
在离心泵内部的流速分布中，由于泵叶的存在，出现了明显的涡量和涡旋对。高速流体主要在叶轮入口进入，并在预旋器中被预先旋转，形成一个旋转流场，并在叶片上产生一定的旋向动能。流速分布的最大值发生在叶轮进口区域，然后逐渐下降。进入后旋室后，由于阻力作用，该区域的流速略有下降。随着流体进一步向叶轮中心移动，由于叶片的转动，流体的动能被转化为压力动能，使流速逐渐降低。最后流体离开叶轮，流速开始上升并形成一个类似于纺锤体的流场形态。
压力分布
在离心泵内部的压力分布中，主要是由于叶片的干扰所引起的压降。处理压力分布时，我们重点考虑了一下影响压力分布的三个因素：流速、涡量和涡旋对。实验证明，在泵出水口处，涡量对压力分布的影响要比涡旋对要显着。
理论上说，叶轮之后的压力应该是逐渐下降的。但实际上，由于叶片拖曳和阻力等因素的影响，使得压力出现了一定的波动，这种波动反映了涡量和涡旋对的影响。同时，在叶片的干扰下，还会出现类似于第二类旋涡和第三类旋涡这样的现象，这也就使压力分布比较复杂。
此外，由于出水口处的叶片作用和涡旋对的影响，会在一定程度上影响泵的流量和扬程，所以在实际生产中，一般会采取相应的补偿措施，来保证生产工艺的稳定。
湍流强度分布
在离心泵内部的湍流强度分布中，由于叶轮的干扰作用，使得涡量在泵入口和泵出口处都较大。在叶轮处，涡旋对和径向流量（尤其是在泵机极大流量工况下）都很大，需要对泵出水口处的流速分布和压力分布进行修正。而在径向流量较低的泵中，通常没有这种情况，但湍流强度分布要比轻质液体泵中更复杂。
本文利用数值模拟方法，对离心泵在极大流量工况下的内部流场进行了详尽的分析。研究发现，在离心泵内部存在明显的二次流和三次流，且预旋部分流速较快和压力较低；泵叶轮处流场垂向流量、径向流量和涡量都非常明显，对泵出水口处的流速分布和压力分布产生重要影响。
当前的离心泵设计和性能优化工作的主要瓶颈是对泵内部流场的深入理解和分析。因此，本文提出了一种对离心泵内部流场进行数值模拟分析的方法，为优化泵的性能和设计提供了一定的参考。但这还只是一个开始，需要进一步深入研究和探索。