过程流体机械 离心泵
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2-2流道模型建模
在进行离心泵内部流场数值计算之前，首先要做的工作就是要建立离心泵流体流动的计算模型，其过流部件包括:进水管、叶轮、蜗壳、出水管。由于离心泵流体流动模型较为复杂，本文利用具有强大三维设计功能的建模软件Pro/ENGINEER来分别建立其过流部件的流道模型，进而通过其装配功能建立离心泵整机流道模型。Pro/ENGINEER软件是一个大型软件包，由多个功能模块组成:草绘模块、零件模块、零件装配模块以及曲面模块等，每一个模块都有自己独立的功能。 2-2-1叶轮流道建模
建模前，我们应该首先认识到:需要建立的流场数值计算模型是离心泵中流体充溢的空间，即流体流动的模型，而非叶轮和蜗壳的实体模型。根据图3-2所示的叶轮水力图，建模时，首先以FRONT平面为基准平面，以叶轮的轴面投影图的外部轮廓为母线，以z轴为旋转轴，应用旋转命令生成叶轮的轮廓实体。然后在叶轮进口截面所在的DTM1平面上草绘如图3-4所示的叶片，进而利用拉伸功能将其向叶轮方向进行切除叶轮过程，注意:此时一定要选择“拉伸至于所有曲面相交”和“去除材料”两个选项，如图3-5所示。
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此时，其他叶片可以利用阵列的方法在叶轮轮廓圆周上获得。对于叶轮进口边，为了避免尖角对流场的影响，做倒圆处理，也与实际泵型相符。另外，由于叶轮和蜗壳之间是有间隙的，流体通过此间隙由叶轮进入蜗壳，故建模时须考虑此部分。由于本课题研究不同叶片数对泵内流场的影响，故建立了叶片数分别为3, 4, _5, 6的叶轮通道模型。最后得到的不同叶片数的叶轮通道模型如图3-6所示。
2-2-2虫禺壳流道建模
蜗壳是离心泵叶轮出口至出口法兰的重要过流部件，它的形状参数决定流体能量损失的大小，直接影响离心泵的工作性能，其主要功能有三个:将叶轮流出的液体收集在一起，形成轴对称的流动，并将流体送入泵的出口;降低流速，把流体的动能转变为压力能，以减少压水管路中的损失;消除流动环量，减少水力损失。
在本文所选的离心泵模型中，整个蜗壳由螺旋线和扩散管两部分组成。螺旋线部分截面形状为梯形，在螺旋线部分共设计了八个截面，每个截面之间的夹角均为4_5 0，隔舌位置与纵轴的横向距离为23mm。扩散管位于蜗壳部分的后面，螺旋线末端的第八截面也就是扩散管的进口，而出口即为泵的压出口。进口截面为梯形，出口截面为圆形，为使截面平缓过渡，中间还设计了三个过渡截面:IX-IX, X-X, XI-XI，如图3-3所示。
根据蜗室水力模型图，虽然螺旋线部分截面面积沿逆时针方向逐渐增大，但其基圆位置不变，故应用Pro/ENGINEER的扫描混合功能完成包括螺旋线段和扩散段的蜗室流道模型建模。其中，在绘制各截面图时一定要注意:
（1)各截面的图元数必须相等;
（2)图元的起始点和生成方向也要相同，如同为逆时针方向或同为顺时针; (3)图元组成的各截面一定要封闭，否则无法进行混合扫描;
(4)特别是隔舌位置，为了避免流场中尖角使得在后面划分网格严重变形，应用
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倒圆角功能完成隔舌部位的修整。
最终建立的蜗壳流道不同方向的三维模型如图3-7所示，图3-8为应用倒圆角完成的隔舌部位放大图。
2-2-3整机装配模型
装配功能是Pro/ENGINEER的基本功能之一，装配文件的首要功能是描述所建立模型之间的配合关系、位置关系，以便确定所建立的模型形状以及尺寸的正确性。前面已经完成了进水管、叶轮、蜗壳、出水管(其中进水管和出水管简化为圆柱形流道模型，建模简单，故没有作着重介绍)的建模工作，但它们都是独立的，为了进行后面的GMBIT网格划分及FLUENT数值模拟计算，我们首先要做的就是将其装配在一起，形成离心泵的整机流道模型。装配时需让进水管、叶轮以及蜗壳的螺旋线部分三条中心轴保持重合，出水管的中心轴和蜗壳扩散段出口的中心线重合，另外，还需注意叶轮叶片的弯曲方向和叶轮的旋转方向须对应。装配好的小同叶片数离心泵整机流动模型如图3-9所示。
2-3网格划分
在GAMBIT中对几何模型划分网格，相当于对控制方程的离散化。GAMBIT中的网格生成方法有很多种，网格形状也复杂多样。对于三维流动来说，可以生成四面体、六面体、三角柱和金字塔形等网格，结合具体求算的问题，还可以生成混合网格，其自适应功能，能对
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网格进行细化或者粗化，或生成不连续网格、可变网格和滑移网格等。 在进行实际问题的数值计算时，网格的生成也往往不是一蹦而就的，要经过反复的调试与比较，才能获得适合于所计算具体问题的网格。其中计算网格的大小影响着计算的时间，也影响着计算的精度。对微分方程的求解给出的是近似解，为使解更接近于实际，网格节点的数目应该足够大，直到随着网格数目的增加，计算结果不再有显著的变化为止。在多数情况下，由于网格数目的增加造成的计算时间增加让大家无法接受。计算时花费的时间也就越长。由于计算机配置的限制，网格是不能无限加密的，网格化时结合具体的计算要求以及实际条件来确定需要的网格密度即可。
总的来说，模型网格化的方法和类型要结合其几何结构的具体情况来选择。本课题中，离心泵内的流动区域为不规则区域，要完成这些区域的网格划分需要大量时间。首先将Pro/ENGINEER中准备好的离心泵流动模型装配文件，保存为“.step”格式的数据文件，将其导入GAMBIT中进行网格划分。GAMBIT中的网格生成方法有很多种，网格形状也复杂多样。按照计算网格的网格点之间的邻接关系，可以分为结构化网格和非结构化网格。结构化网格因节点顺序排列，其存储比较简单，所需的存储空间也相对较少。非结构化网格的节点和单元的分布是任意的，适应性强，因而适合于处理复杂几何外形。对于比较复杂的几何形状，非结构化网格往往能以相对少的节点数而获得疏密合理、过渡均匀的网格。而结构型网格为了满足“结构型原则”，往往必须在局部区域布置很密，但对计算分辨率而言多了必要的节点，从而使节点数增加，造成计算资源浪费。
在本文中由于进行整机计算，几何模型比较复杂，网格化分采用分块划分网格的方法，分成进水管、叶轮、蜗壳和出水管四块分别划分网格。其中进水管和出水管采用结构化六面体网格划分;对于计算区域空间复杂的叶轮，采用适应性很强的非结构化四面体网格划分;对于蜗壳，则采用混合网格划分。本文主要研究其他参数一定、仅叶片数不同的离心泵内流体流动规律。不同叶片数的整机模型的网格划分数如表3-3所示。其中的三叶片和四叶片离心泵整机流动模型的网格划分如图3-10。
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