WQ系列潜水排污泵CFD分析与试验

孙瑾亭

（合肥凯泉电机电泵有限公司，合肥 230000）

0 引言

水泵作为一种通用机械，广泛应用于农业、工业等领域[1]。其中潜水排污泵是一种泵与电动机连体，且一起在液下工作的泵类产品，具有结构紧凑、占地面积小等特点，并且因为泵和电动机同轴，转动部件质量轻，使轴承上承受的载荷相对较小，因此寿命比一般泵要长得多[2]。主要用于污水处理厂、市政污水提升泵站、水利排灌、自来水厂、一体化泵站、引水工程等场合进行输送含有固形物和长纤维的污水、废水、雨水等。但是也因为排污泵输送的介质是一些含有固体物料等大颗粒尺寸的混合液体，会造成转动部件质量与叶轮承受水压力同向，使得排污泵在密封、过载等方面的问题较为突出。

针对该问题，上海凯泉泵业（集团）有限公司的研发团队在整合了现有的排污泵系列，并且吸收了国内外同类产品的优点的基础上，全新研制开发了无过载水力模型，发布了新一代WQ系列潜水排污泵。该排污泵严格执行GB/T24674-2009《污水污物潜水电动机》国家标准，较大提高了泵的承载能力，延长了泵的使用寿命，是一款真正意义上的无过载全扬程潜水泵，具有更高的配置、更优的水力性能、更强的通用性、更好的可靠性、更强的市场适应力。

本文以无过载水力模型开发的WQ2520-6110-500型号为例，建立三维水力模型，并将模型导入ICEM CFD中进行网格划分，选定恰当的湍流模型及边界条件，进行叶片泵定常计算过程的CFD分析[3]，最终得到形象的数据结果并计算出扬程、转矩，从而求得水力模型的效率，并进行试验对比，验证数值分析计算的正确性。

1 建立三维水力模型

WQ2520-6110-500潜水排污泵的水力模型由叶轮、蜗壳、进口延长段、出口延长段等4部分组成。叶轮的主要参数为叶轮进口直径Dj、叶片出口宽度b2、叶轮出口直径D2、叶片包角φ、叶片数z等。蜗壳的主要参数为基圆直径D3、蜗壳进口宽度b3、隔舌角φ0等[4]。

由于ICEM CFD建模功能不强，因此对于一些复杂结构模型常常需要在专业的软件中进行创建，然后再将几何文件导入到ICEM CFD中再完成网格划分。因此选择在三维造型软件ProE中进行三维实体造型[5]，绘制得到叶轮、蜗壳、进口延长段、出口延长段的水力模型，将四部分配合在一起形成最终的水力模型，如图1所示。

图1 WQ2290-6156-500水力模型

2 CFD分析

网格是模拟与分析的载体，其质量直接影响CFD数值计算的精度。由于叶片泵几何模型复杂、曲率变化剧烈，因此使用目前最流行的网格划分软件ICEM CFD[6]，它拥有强大的CAD模型修复能力、网格编辑技术、广泛的求解器支持能力，以及能够进行诸如叶片泵这类复杂模型的高质量结构化网格划分能力[7]。

网格主要分为四面体网格、六面体网格、三棱柱网格和O-Grid网格等，其中四面体网格能够很好地贴合复杂的集合模型，六面体网格的网格质量高但生成过程复杂，三棱柱网格适合于薄壁几何模型，O-Grid网格适用于圆或圆弧模型，因此本次网格划分采用四面体非结构性网格，通过Global Mesh Parameters（全局网格设置）设置全局网格尺寸和表面网格类型及大小，进行体网格划分。

由于蜗壳隔舌处对模拟分析结果有很大的影响，所以对蜗壳的隔舌处进行加密网格划分。其中叶轮网格数约为250万，蜗壳网格数约为380万，进口延长段网格数约为150万，出口延长段网格数约为180万，总网格数达到约960万。网格生成以后，查看网格质量是否满足计算要求，进行网格修改，修剪生成的网格，删去质量低于0.4的网格节点以提高网格质量，使平均网格质量达到0.5以上。网格生成和修复之后，便将网格输出为.cfx格式，以进行后续的CFD分析计算。图2分别是对叶轮、蜗壳、进口延长段、出口延长段进行网格划分及修复后的网格结果。

图2 网格划分结果

将进行网格划分修复后的水力模型导入CFX中，进行计算域的设置，选择计算域的流体类型为Water，叶轮计算域为Rotating状态，设置Angular Velocity为990 r/min。选择Fluid Models为湍流模型中的标准k-ε湍流模型[8]，并指定入口边界条件Total Pressure（stable）为1atm，出口边界条件Mass Flow Rate为对应工况点的质量流量值，湍流能动系数使用中度湍流密度Medium（Intensity=5%），分别对设计点3000 m3/h、1800 m3/h、2200 m3/h、3600 m3/h四种的工况点进行数值分析计算。

3 结果分析与试验数据验证

将数值计算结果形象直观地展示是流动分析后处理的主要工作。ANSYS CFX自身具备强大的后处理功能及可视化技术，能够显示各物理参数的云图、等值线图、速度矢量图、流动轨迹图等，同时还能计算扬程、转矩、力矩及对应的力矩系数、流量等，并能生成简要的计算报告。

图3分别为1800 m3/h、2200 m3/h、3000 m3/h、3600 m3/h四种工况点的速度流线分布图。从图中可以看出，在小流量点的流线不稳定，存在速度涡旋，水流在旋转过程中存在不确定冲击，在设计点及附近工况点流线变化稳定且较流畅，能降低因碰撞而带来的能量损失。

图3 速度流线分布图

流量从1800 m3/h增长到3600 m3/h的过程中，叶轮内部流速从进口延长段交界处向蜗壳交接处，由低向高逐渐增大，变化规律相同且速度不存在剧烈变化。蜗壳流速在小流量点处，存在较大的变化，在设计点及附件工况点，流速分布均匀，在蜗壳隔舌处，出现速度变化不均匀点，表明水流在运转过程中与壁面进行碰撞，存在一部分的能量损失。进口延长段的速度一直处于稳定状态，出口延长段的速度变化主要是由蜗壳速度流线出口端变化规律影响。

图4为设计点3000 m3/h叶轮的速度云图。图4（a）为XY剖面的速度云图，叶轮为逆时针旋转，叶片工作面前端的速度较小，由内向外速度依次环形增大，符合叶片前端小涡流存在的特性，图4（b）为YZ剖面的速度云图，由中心向两侧速度均匀增大，前侧速度明显大于后侧速度。图5为设计点3000 m3/h蜗壳XY剖面的速度云图，速度由叶轮交界面向外减小，在隔舌处速度值偏小，说明有涡流的存在，蜗壳内部速度不均匀处同样也存在小涡流。

图4 叶轮速度云图

图5 蜗壳速度云图（XY剖面）

经过CFX分析[9-11]，获得水力模型叶轮、蜗壳、进口延长段、出口延长段这4部分的压强变化值和叶轮内部的转矩值，通过泵的扬程公式（1）和效率公式（2），计算得到4种工况点的扬程值H和效率值η。

为验证所采用的数值分析方法的正确性，将水力模型在合肥凯泉电动机电泵有限公司进行了样机的生产加工和试验测试。在公司潜水电泵试验中心对样机进行不同流量点的扬程和效率测试，取1800 m3/h、2200 m3/h、3000 m3/h、3600 m3/h四种工况点的试验结果与数值分析结果得到的扬程值和效率值进行比较分析。

图6对比了扬程和效率的数值分析结果和试验数据结果。从图6（a）中可以看出，1800 m3/h工况点的数值分析结果扬程值为29.21 m，试验数据结果为28.6 4m，差值为-0.57 m。2200 m3/h工况点的数值分析结果扬程值为26.18 m，试验数据结果为25.96 m，差值为-0.22 m。3000 m3/h工况点的数值分析结果扬程值为23.84 m，试验数据结果为23.67 m，差值为-0.17 m。3600 m3/h工况点的数值分析结果扬程值为18.54 m，试验数据结果为17.7 m，差值为-0.84 m。扬程值的试验数据与数值分析变化趋势相同，且均低于数值分析，是由于在生产加工及测试的环节中导致的，差值都在误差允许的3%内，为合理值。在设计点3000 m3/h试验数据与数值分析结果几乎一致，证明了数值分析计算的正确性和可靠性。

从图6（b）中可以看出，1800 m3/h工况点的数值分析结果效率值为80.12%，试验数据结果为77.95%，差值为-2.17%；2200 m3/h工况点的数值分析结果扬程值为83.03%，试验数据结果为81.08%，差值为-1.95%；3000 m3/h工况点的数值分析结果扬程值为85.16%，试验数据结果为81.99%，差值为-3.17%；3600 m3/h工况点的数值分析结果扬程值为83.89%，试验数据结果为80.02%，差值为-3.87%。分析的效率值与试验值得变化规律存在一致性，分析值高于试验值，差值在4%内，同样证明数值分析计算具有良好的参考性。

图6 数值分析与试验数据对比图

4 结语

本文主要为WQ2520 -6110 -500 型号潜水排污泵的CFD分析和试验测试，通过建立三维水力模型，进行网格划分和CFX计算，得到水力模型内部的压强值和转矩值，从而计算得到水力模型的扬程值和效率值，并与试验测试结果进行对比，验证数值分析计算的正确性。