离心泵内部间隙流动研究的综述

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离心泵内部间隙流动研究的综述

        姓名：石福翔     学号：122080704006  专业：流体机械及工程

摘要：在离心泵中，存在具有强迫径向流的间隙旋转液体流动，如离心式水泵叶轮口环间隙流动，多级离心泵内部间隙流动。这种流动对离心泵的性能有较大的影响，但是由于这种间隙的尺寸都比较小，流动也非常复杂，所以以前对此类问题的研究一般是基于实验的基础上进行的，因此采用数值模拟方法对包含口环间隙的整机流动进行的研究是一个比较新的方向。本文综合了相关研究的论文资料，综述各家之论点，分析了当前研究的现状存在的问题。

关键词：离心泵  间隙流动   数值模拟  综述

研究现状：叶轮口环间隙属于非接触式密封形式，其特点是水力直径小，液体具有一定黏度，在端面相对运动条件下产生很高的流阻，以保持较小的泄漏损失．

密封间隙中流体运动的产生原因有两个：一是由于缝隙两端存在压力差，这种流动称为压差流动；二是由于组成缝隙的两元件表面间的相对运动，这种流动称为剪切流动。两种原因同时存在而引起的流动称为剪切－压差流动，口环间隙中的流动属于此种类型。

塔鲁克对间隙流动做了详细的论述，其中考虑了流态、可压缩性、位置偏心等

各种因素。

Lomakin通过理论分析和试验对离心泵的环形间隙密封处的间隙力进行

了研究，指出其对泵转子的临界转速和稳定性有重要影响。

Toshio Hirano等对采用迷宫形式的叶轮密封采用CFX－TASCFlow进行了数值

模拟，分析了密封间隙的泄漏流量以及间隙流动对转子受力的影响，并指出网格密度

对计算结果有着重要影响，。

赵万勇和汪建华对多级泵平衡盘间隙流动进行了研究，基于间隙流动为层流

运动的假设，通过简化N-S方程，推导了泄漏量的计算公式，分析了泄漏量和间隙几

何参数之间的关系。

徐林对湍流工况下泵的环状间隙密封流场进行了分析，利用有限差分法进行了

数值求解，得到了环状间隙密封内速度分布和压力分布规律，并对环状间隙处的泄漏

量进行了计算。

     Kurokawa J.MatsmotoK,MatusiJ and Imura H通过增大比转速为 25 的低比转速离

心泵叶轮前盖板口环与泵体之间的径向间隙，即增大泄漏量来降低叶轮圆盘摩擦

损失来提高泵的效率。对离心泵输送清水时进行了试验研究，发现当径向间隙

3.5mm 时，泵效率最高。

     李文广等采用试验方法研究了口环间隙对离心油泵性能的影响，考虑了前后口环的变化以及流体粘度的影响，得到了不同口环间隙下输送不同粘度流体时离心油泵的特性曲线。陈鱼等采用试验方法对输送清水时口环间隙对离心油泵的性能影响做了研究，对前后口环对性能的影响做了比较。

美国的Ｂａｓｋｈａｒｏｎｅ等采用有限元分析的方法对多级泵内部间隙泄漏流动及其影响进行了数值计算，与现有的叶轮泄漏分析模型进行对比。

    赵伟国等采用基于ＣＦＤ的数值模拟方法，对不同密封口环间隙的离心泵性能进行分析，同时比较了离心泵的外特性曲线和内部流场结构。

吴大转，许斌杰，武　鹏，李志峰，王乐勤等针对大功率高压多级离心泵，建立包含间隙、叶轮和导叶流道整体分析模型，计算其水力性能和前后口环处的泄漏量，并对密封环流道的内部流动进行分析．最后，进一步对不考虑泄漏的简化模型计算结果、传统密封口环泄漏经验计算结果和试验结果进行比较分析，为多级离心泵的密封环和间隙结构改进提供基础。

研究方法概述

1.2.1 理论分析方法

理论分析方法往往需要对计算模型进行简化和抽象，对于较简单的流动问题可以得到理论上的解析解，但对于复杂的流动问题特别是非线性问题，很难求解。但理论分析方法所得到的结果具有普遍性和一定的准确性，各种影响因素明确，是指导实验研究和验证数值计算方法准确度的可靠依据。

1.2.2 试验测量方法

可视化技术和测量技术对观察和记录离心泵的内部流动规律、建立离心泵的内部流动理论提供了切实可行的实验手段。科学始于测量——门捷列夫。在某种程度上来说，测试技术水平的高低直接影响我们对事物的认识的准确性。为确保实验手段测得的结果是可靠的，这也就要求测试技术不断提高。在离心泵通流部分的实验研究中，由于离心泵内部流场相当复杂，呈现不稳定性和三维流动特性，为了成功测量流场，通常要求测量仪器具有高的频率响应，体积微型化和高速数据采集与处理系统。一些典型的现代流动测量技术被应用，如气动探针、热线风速仪、相位多普勒技术(PDPA)、激光测速技术(LDV)和粒子成像技术(PIV)等。但这些方法需要消耗大量的人力、物力及财力，同时周期较长实验条件等因素在一方面也制约了实验测量结果的准确性。

1.2.3数值计算方法

计算流体力学（computational fluid dynamics，简称 CFD）是通过计算机运算和图像显示，对计算域流体的运动状态及相关物理现象做出分析。CFD 方法适应性较强、应用范围广。

与流体力学的理论研究相比，CFD 突出优点是：只要能建立起反映流动物理本质的数学模型、在计算机硬件条件允许的情况下，可以求解任意复杂的流动问题；同时，可再现流动的场景，并可获得流动的细节及其相关信息。另一方面用 CFD 软件对流场液体流动进行数值模拟的方法既省时又省力，只要建立的物理模型正确，在一定程度上可以清晰的反映离心泵的内部流动规律。

目前该方法已经成为旋转叶轮机械内部流动规律研究的重要手段之一。数值计算方法、理论分析方法及实验测量方法三者之间是相互联系、相互促进的；但不能完全替代，总之三者各有各的优势和适用场合。因此，在分析、处理流体运动的实际问题时，若能把这三种方法巧妙地结合起来，可以收到优势、长处互补，相得益彰的效果。这也是研究和解决流体力学问题的理想而有效的方法和手段之一。

需要做进一步研究的几个问题

1）考虑计算机的硬件配置，进一步细化口环间隙网格及叶轮、蜗室等壁面处的网格，分析网格数量对数值模拟计算的影响。

2）本文对间隙中的流动情况没有做具体的试验研究，通过试验的方法与CFD计算相结合分析，才能得到更加准确结果。

3）应进一步考虑口环间隙其他结构尺寸的变化，对离心泵性能的影响。同时考虑到口环间隙内液体流动情况的复杂性，采用非定常的模拟将更能清晰的反应间隙值大小对离心泵性能及内部流动的影响。

总结

     本文综合多篇与离心泵内部间隙流动相关的论文资料，对此类问题的研究状况有了较为清晰的理解。随着流体测试技术的发展，通过试验的手段研究离心泵内部的复杂流动成为了可能，但是由于实验条件，实验设备等因素影响，在实际研究中还是收到很大的制约。而通过CFD软件进行数值模拟计算得到的结果与试验相比已经有了较高的精度和可靠性。所以，以合理的数学物理模型为基础，以CFD为手段研究此类流动问题有很大的应用价值。

参考文献

赵伟国   基于 CFD 的离心泵口环间隙流动研究

吴大转   多级离心泵内部间隙流动与泄漏损失

赵爽     口环间隙变化对离心泵性能影响的数值模拟研究

潘中永   叶轮口环间隙对离心泵性能影响的模拟和试验

陈鱼     输送清水时口环间隙对离心油泵性能的影响