Page 88 - 2024年第55卷第7期

变，综合考虑计算效率和精度，本文选取 ８２８万网格
进行后续计算研究。

３ 数值模拟方法

３．１ 自由液面追踪方法 自由液面的处理在流体数值
模拟计算中是一个常见的问题，目前自由液面处理方
法主要有刚盖假定法 ［２８］ 、ＬＩＮＣ法 ［２９ － ３０］ 、ＭＡＣ法 ［２９］ 、
Ｌｅｖｅｌ － ｓｅｔ法 ［３１］ 以及 ＶＯＦ法 （ＶｏｌｕｍｅｏｆＦｌｕｉｄ），这 些
方法各 有 优 缺 点，其 中 ＶＯＦ方 法 在 明 渠 水 面 波 动、
吸气漩涡演化 ［１４］ 、自吸泵排气过程 ［３２］ 等计算中获得
图 ３ 网格无关性验证
大量应用，故本文选择该方法进行数值模拟。ＶＯＦ方
［３３］
法由 Ｈｉｒｔ 提出，其在 ＭＡＣ方法基础上改进，将各相流体混合物看作均相流，在计算域内对不相溶
流体求解同一动量方程并跟踪其体积分数实现自由液面的捕捉。其控制方程如下：
φ φ ｕ φ ｖφ ｗ
＋ ＋ ＋ ＝ ０ （１）
 ｔ  ｘ  ｙ  ｚ
－ １
式中：ｘ、ｙ、ｚ为坐标轴方向；ｕ、ｖ、ｗ为速度分量，ｍ·ｓ ；φ为各相体积分数。
当网格内充满一相流体时 φ ＝ １ ，当网格内充满另一相流体时 φ ＝ ０ ，当网格内有自由液面分界面时
φ介于 ０与 １之间，ＶＯＦ方法则是通过该函数实现对自由液面的追踪。
３．２ 湍流模型与边界条件 本文采用商业软件 ＡＮＳＹＳＣＦＸ进行非定常数值计算。在计算中，忽略相
间质量和动量传输，采用均相流模型进行气液两相模拟。湍流模型选用考虑湍流剪切应力的 ＳＳＴｋ － ω
模型，同时考虑重力对计算域内流体的影响。计算域参考压力设置为 １个标准大气压，叶轮流场计算
域设置为旋转域，其它区域均为静止域。旋转域与静止域交界面采用 ＴｒａｎｓｉｅｎｔＲｏｔｏｒ － Ｓｔａｔｏｒ。以进水池
的进口作为整个计算域的进口，采用质量流量进口，在进水池中采用静水压力假定，通过 Ｓｔｅｐ函数给
定静压以设置自由液面高度；以蜗壳延伸段出口为计算域出口，设置为质量流量出口；水池顶部为开
放边界，与大气相通。非定常流动计算的时间步长取为叶轮旋转 ６°所用的时间，通过对比发现，进一
步降低步长对数值仿真结果影响较小。
３．３ 试验装置 为实现对进水池、吸入管及模型泵整体的观测及测量，设计并搭建了立式离心泵试验
平台，离心泵试验系统回路如图 ４所示。
为进一步验证气液两相流工况下数值模拟结果，采用高速摄像技术捕捉吸入涡发展过程中形态结
构细节。针对离心泵大流量 Ｑ ＝ １．１２７Ｑ 、相对淹没深度 Ｈ ＝ （Ｈ－ ｄ）?ｄ ＝ １．３的运行工况，数值模拟结
ｓ
ｒ
ｄ
果和试验结果对比如图 ５所示，可视化试验拍摄所得吸入涡与数值模拟所得吸入涡位置与形态一致，
从而验证了数值模拟方法的可行性与准确性。本文后续结果均针对以上运行工况。

图 ４ 离心泵试验系统

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