不同湍流模型在轴流泵性能预测中的应用

摘要：

【摘要】为了评价不同湍流模型在轴流泵性能预测中的精度,该文以南水北调工程轴流泵模型作为研究对象,分别选取了3种湍流模型标准k-ε湍流模型(standard k-ε)、重正化群k-ε湍流模型(renormalization group k-ε,RNG)和雷诺应力模型(reynolds stress model,RSM),基于SIMPLE算法(semi-implicit method for pressure-linked equations)和结构化网格,进行了轴流泵性能预测和全流场数值模拟,并以水利部天津同台测试的试验结果作为基准对预测扬程和效率进行了误差分析。研究结果表明,网格密度对模拟结果具有较大影响,较疏的网格导致性能预测精度降低,在大流量和小流量工况下预测的扬程和效率误差将达到3%以上;在最优工况下,Standard k-ε、RNG k-ε和RSM湍流模型的扬程预测误差分别为0.97%、1.12%和1.24%,效率预测误差分别为2.93%、2.49%和2.97%,可满足工程应用要求;但在非设计工况下,由于二次回流、空化等复杂流动的存在,内部流场复杂,3种湍流模型的扬程最大预测误差范围为9.40%～14.30%,效率最大预测误差范围为4.48%～8.30%。该结论将为轴流泵性能预测的可靠性提供依据。
【关键词】轴流；泵；湍流模型；误差分析；性能预测；网格；

引言：

【引言】轴流泵内z 部受叶顶间隙、叶根间隙和轮毂旋转等边界条件的影响，常伴有冲击、二次流、尾迹、马蹄涡、叶顶泄漏涡、刮起涡等复杂流动，其内部属于复杂的三维黏性非定常流动。轴流泵模型试验成本高、周期长，通过计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）对轴流泵内部流场的数值计算和性能预测，可以减少甚至取代部分模型试验。近几年来，基于雷诺时均方程的轴流泵数值模拟方法在轴流泵流场分析、泵站进出水流道优化等方面应用非常广泛。杨敬江提出了一种轴流泵的水力设计方法并对内部流动进行数值模拟；李忠等利用五孔探针对叶轮直径200 mm 的轴流泵模型进行了测量和流动模拟；施法佳等采用了定常和非定常方法对单台轴流泵模型流动进行了数值试验分析，并提出对于不同轴流泵和不同泵工况的数值模拟精度有待进一步研究。陈红勋等研究结果表明，在最优工况下，Standard k-ε 模型预测扬程相对误差为2.12%，重正化群（renormalization group，RNG k-ε）模型预测扬程相对误差为7.15%；王国玉等研究结果表明，在最优工况附近，Standard k-ε 和RNG k-ε 模型预测相对误差均在5%之内。

作者：

张德胜；施卫东；张华

作者单位：

江苏大学流体机械工程技术研究中心；