液环真空泵内气液两相流动的数值分析(2)

2.3、计算区域、滑移网格的生成及边界条件处理

　　应用Pro/E对选取的液环泵各部件进行了三维建模，如图2。在此基础上得到液环泵流动域的三维实体造型，如图3。考虑到液环泵轴向两侧流动的独立性、对称性及现有计算机硬件条件的限制，本文仅研究液环泵其中一侧的流动。

图2 液环泵三维装配图

图3 液环泵流动域的三维实体造型

　　将Pro/E制作的液环泵流动域三维实体导入流动软件FLUENT的前处理程序GAMBIT，进行结构/非结构网格单元划分，共计468659 个网格单元和129568 节点（见图4）。一般CFD软件采用转子冻结法（Frozen Rotor Approach）、混合面（Mixing Plane）、滑移网格（Sliding Mesh）、动网格（Dynamic Mesh）等数值方法计算旋转机械的流动传热问题，但只有滑移网格和动网格才能真正模拟旋转状况下的非稳态流场。与需要对网格进行反复重构的动网格相比，滑移网格不需重构、具有较好的计算稳定性和较快的速度，因此本文采用滑移网格方法。设置液环泵的进、出气段与叶轮之间的交界面为一个滑移界面，叶轮出口与泵体间的交界面为另一个滑移界面。将叶轮区域设在FLUENT 提供的移动网格（Moving Mesh）坐标系，其余区域设在固定坐标系。边界条件采取如下设置：①进气条件按吸入压力设置，进液条件按质量流量设置；②出口条件按出口压力设置；③壁面条件采用无滑移固壁条件，并使用标准壁面函数法确定固壁附近流动。计算的时间步长根据液环泵的转速值和叶片数确定，该叶轮转动一周需要约0.1s，每个叶片转过的时间需要约0.005s，因此计算的时间步长不能超过0.005s。计算方法为非定常三维有限体积SIMPLE的隐式算法。两相流动、湍动能及湍流耗散率的离散格式均取二阶迎风格式。

图4 液环泵流动域的计算网格划分

3、计算结果及其分析

　　在经历了一段叶轮启动时间后，进气量计算值随时间作有规则的谐波变化，即流动进入了相对稳定阶段。图5给出相对稳定阶段后的某时刻（t=5.0s）液环泵内气相流速矢量图，叶轮绝对流速大小在25m/s以内，最大值出现在叶轮出口附近，这是因为叶轮旋转速度在此位置达到最大值。流体进入泵体后，因动能逐渐转变为位能使流速降低，绝对流速大小在10m/s以内。图6给出时刻（t=5.0s）液环泵内气液两相分布图，红色表示气相（α=1），蓝色表示液相（α=0），其它颜色表示不同气液比的混合相。由图6可以看出，由于离心力的作用，重相液体被甩向泵体四周，轻相气体则集中在叶轮轮毂附近；叶轮内形成一个有相当厚度的气液分界面，其形状大小与传统理论分析的结果相似，但由于叶轮叶片的分隔作用，气液分界面的形状并不像理论结果那样的光滑规则。

图5 液环泵内气相流速矢量图（t=5.0s）

（a）面向进出气段（b）面向进出气段（除去进出气段）（c）面向分隔板

图6 液环泵内气液两相分布图（t=5.0s）

（a）面向进出气段（b）面向进出气段（除去进出气段）（c）面向分隔板

图7 液环泵内流场静压分布（t=5.0s）

　　图7 给出了时刻（t=5.0s）液环泵内的静压分布图。从图7可见，整个液环泵的低压区出现在叶轮的吸气区一侧，高压区则出现在叶轮的排气区一侧，该结果与传统理论结果相似。叶轮的最小静压表征了该转速下液环泵抽吸真空的能力，最小静压越小，液环泵抽吸真空的能力越强。而叶轮的最大静压则表征了液环泵的压缩能力，最大静压越大，液环泵压缩能力越强。因此，从优化设计的角度考虑，应设法增加叶轮吸气区的真空度及排气区的静压值，同时减少叶轮排气区到泵出气段的能量损耗。

4、结论

　　本文运用多相流欧拉分析方法结合滑移网格技术，模拟分析计算一单级单作用、径向吸气的液环真空泵非稳态气液两相流问题。计算结果表明：离心力的作用使叶轮内形成一个有相当厚度的气液分界面；整个液环泵的低压区出现在叶轮的吸气区一侧，高压区则出现在叶轮的排气区一侧，其结果与传统理论结果相似。综上所述，本文所采用的分析方法和手段，可以较好的模拟计算液环真空泵非稳态气液两相流动问题，对实现产品的优化设计，具有重要的工程指导作用。