文章编号:1005-0930(2012)06-1042-009doi:10．3969/j．issn．1005-0930．中图分类号:TH311文献标识码:A基于OpenFOA的离心泵M内部流动数值模拟芸1，刘厚林1，吴登昊1，谈明高1，舒敏骅2任(1．江苏大学流体机械工程技术研究中心，江苏镇江212013;2．上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海200240)摘要:分析了离心泵内流模拟中存在的问题，指出开源CFD软件是提高离心泵内流模拟精度的必然选择．通过在开源计算流体力学软件OpenFOAM的求解器中添加GGI动静耦合处理程序，实现了OpenFOAM在泵内流数值模拟中的应用．应用修改后的OpenFOAM求解程序对一比转数为117．8的离心泵不同工况下的内流场进行数值模拟，并将数值计算结果与试验结果进行了对比，同时分析了叶轮内部流场的分布规律．研究结果表明，设计工况下的计算扬程相对误差最小，约为－3．5%，而小流量工况下误差最大－6．4%;各工况下的计算效率绝对误差范围均在－0．5%以内．这说明设计工况下的模拟结果优于非设计工况下的计算结果．同时，叶轮内部压力分布和相对速度分布规律符合离心泵内部流动的一般规律．关键词:OpenFOAM;离心泵;内部流动;数值模拟泵是应用最广泛的通用机械之一，也是最为耗能的通用机械之一．因此，运用CFD技术进行泵内部流场模拟，并借以改进泵性能的研究屡见不鲜［1-3］．目前，关于CFD软件主要分为商业软件和开源软件，商业CFD软件以其丰富的功能与良好的易用性和通用性走进世界各地的计算机系统［4-6］．但商业软件专业性不强，对于泵CFD计算结果很多时候并不是十分理想，特别是对于泵偏工况下流动特性的捕捉．导致这一问题的最重要原因是数值算法．以离心泵内流模拟最主要的方法雷诺时均法为例，数值算法主要包括湍流模型和压力速度耦合算法等．比如湍流模型的模化方式和SIMPLE算法界面插值方式等对离心泵内流模拟有着很大的影响［7-8］，而现有商业软件虽具有UDF(User-DefinedFunction)功能对之也无法进行修改．因此，要进一步提高离心泵内流模拟的精度，开源CFD软件是必然的选择．在众多开源计算流体动力学软件中，OpenFOAM因为其强大的功能、层次分明收稿日期:2011-10-18;修订日期:2012-02-27基金项目:国家自然科学基金(51079062、51109095、51179075);江苏省博士创新基金(CXZZ12_0677);江苏省“333高层次人才培养工程”;江苏省“六大人才高峰”和江苏省产学研前瞻性研究项目(BY2011140)通信作者:刘厚林(1971—)，男，研究员，博士生导师．E-mail:liuhoulin@ujs．edu．cn任芸等:基于OpenFOAM的离心泵内部流动数值模拟1043No．6构、良好的拓展性以及统一的书写格式在众多开源CFD软件中脱颖而出．国内外的学者基于此开源软件对流体机械内部流动的研究已经开展，Nilsson［9］对Hǒllerforsen水轮机尾水管进行了定常流动计算，将OpenFOAM计算结果分别与CFX-5的计算结果和试验结果进行了比较，验证了OpenFOAMCFD软件在轴流转桨式水轮机转轮和尾水管湍流计算中的实用性．Petit［10］利用OpenFOAM对带有叶片扩压器的二维离心泵内定常和非定常流动进行了计算，分别采用冻结转子法和滑移网格法考虑动静部件间的相互作用，试验证明这两种方法可以正确的捕捉到泵内流动现象．李孙伟［11］采用OpenFOAM进行了风洞边界层风场的模拟，通过模拟验证了OpenFOAM的有效性．目前，关于OpenFOAM模拟三维泵内部流场的研究还很少，特别是国内在这方面的文献报道几乎为空白．本文以OpenFOAM中的MRFSimpleFoam求解器作为计算基础，通过在该求解器中添加动静部件的交界面处理方式，实现了对离心泵内部流场进行定常数值计算．结果表明，改进后的OpenFOAM可以进行较为精确的离心泵内部流动的模拟，为OpenFOAM概述OpenFOAM工具箱是在2004年作为开源代码在GPL(GeneralPublicLicense)下进行发布，并从此走向开源化．它是采用C++编写的面向对象的CFD类库．核心代码使用基于多面体网格单元FVM(FiniteVolumeMethod)求解偏微分方程系统，能够解决涉及化学变化、涡流与传热的复杂流体流动、固体动力学、电磁学等各种问题．2计算模型与方法12．1计算模型以一比转数为117．8泵作为计算对象，该模型的几何参数为:叶轮进口直径Dj=160mm，...