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基于CFD分析的双吸式离心泵叶轮优化设计研究

一、引言

（一）研究背景与工程意义

在现代工业、农业以及城市基础设施建设中，双吸式离心泵作为一种关键的流体输送设备，承担着至关重要的角色。无论是在大型工业生产线上输送各种工艺流体，保障生产流程的连续性，还是在农田灌溉、城市给排水系统中确保水资源的合理分配与高效利用，双吸式离心泵的稳定运行都直接关系到整个系统的性能与效益。其叶轮作为实现能量转换的核心部件，如同离心泵的“心脏”，其性能优劣直接决定了泵的效率高低、运行稳定性以及抗汽蚀能力强弱，进而对整个工程系统的能耗、可靠性和使用寿命产生深远影响。

在传统的双吸式离心泵设计过程中，主要依赖经验公式和反复的试验调试来确定叶轮的几何形状和结构参数。这种设计方法虽然在一定程度上能够满足基本的工程需求，但存在着诸多局限性。一方面，经验公式往往基于简化的理论模型和特定的实验条件，难以全面准确地描述叶轮内部复杂的三维流动现象，导致设计结果与实际运行情况存在较大偏差；另一方面，试验调试过程不仅需要耗费大量的时间、人力和物力资源，而且由于试验条件的限制，很难对各种工况下的叶轮性能进行全面深入的研究。这就使得传统设计方法在面对日益增长的高效、节能、稳定运行的工程需求时，显得力不从心。

随着计算机技术和计算科学的飞速发展，CFD（计算流体动力学）技术应运而生，并迅速成为解决复杂流体流动问题的有力工具。CFD技术基于流体力学的基本原理，通过数值计算的方法对流体在各种复杂几何形状和边界条件下的流动进行模拟和分析，能够获得流体内部详细的速度场、压力场、湍动能分布等信息。将CFD技术应用于双吸式离心泵叶轮的设计与优化中，为解决传统设计方法的难题提供了新的途径。通过CFD模拟，工程师可以在设计阶段就对叶轮内部的流场特性进行深入研究，揭示流动过程中的物理机制，准确预测叶轮在不同工况下的性能表现。这不仅能够大大缩短设计周期，降低研发成本，还能够为叶轮的几何参数优化提供科学依据，从而有效提升泵的整体性能，解决轴向力不平衡、流动分离及汽蚀等长期困扰工程实践的难题。

本研究紧密围绕双吸式离心泵叶轮的流场优化这一核心问题，以CFD分析为主要技术手段，深入探究叶轮内部复杂的流动特性及其与叶轮几何结构之间的内在联系。通过系统地分析和优化叶轮的关键几何参数，旨在提高叶轮的水力效率，降低能量损失，增强泵的运行稳定性和抗汽蚀能力，为双吸式离心泵在实际工程中的高效、可靠运行提供坚实的技术支持和理论依据，具有重要的工程实际意义和广泛的应用前景。

二、双吸式离心泵叶轮基础理论与结构特性

（一）工作原理与流动机理

双吸式离心泵的工作原理基于叶轮的高速旋转，赋予液体离心力，实现能量转化与输送。其核心部件双吸式叶轮，采用独特的对称双入口结构，犹如两个背靠背的单吸叶轮组合，这是区别于单吸离心泵的显著特征。在泵启动后，电动机带动叶轮飞速转动，转速通常可达每分钟数千转，叶片对液体施加强大的离心力，使液体从叶轮中心被迅速甩向叶轮的外周。在这个过程中，液体获得了大量的动能和压力能，如同被赋予了强大的“动力”，以高速冲向叶轮出口。

液体从两侧同时进入叶轮，这一设计使得叶轮两侧的压力分布相对均匀，就像在天平两端放置了等重的物体，天平能够保持平衡一样，叶轮两侧的压力平衡有效地减少了轴向力。这种结构设计大大提高了泵的运行稳定性和可靠性，减少了因轴向力不平衡而导致的设备磨损和故障，就如同稳定的地基能够支撑起坚固的高楼大厦，保障了泵在长时间运行过程中的平稳性。

获得能量后的液体进入泵壳内的蜗形流道，蜗形流道的形状如同蜗牛壳，逐渐扩大，液体流速逐渐降低，就像河流从狭窄的河道进入宽阔的湖面，流速会自然减缓。在流速降低的过程中，动能的一部分转换为静压能，液体的压力进一步升高，最后从泵的出口排出，被输送到需要的地方，完成整个输送过程。

叶轮旋转时，叶片对流体做功，将机械能转化为流体的动能和压力能。而双吸结构通过减少单侧压力梯度，如同在压力的“陡坡”上修建了平缓的“台阶”，降低了轴向载荷，使其特别适用于大流量工况，能够满足如城市供水、大型工业生产等对大流量液体输送的需求。然而，这种对称设计对叶片角度、流道均匀性要求极高，哪怕是微小的偏差，都可能导致流道堵塞或压力脉动，就像精密仪器中的微小零件出现偏差，会影响整个仪器的正常运行，因此需通过CFD精准模拟流场分布，以确保设计的准确性和可靠性。

（二）关键几何参数对性能的影响

叶片进出口角与包角：进口角如同流体进入叶轮的“入口指引”，直接影响流体吸入效率。当进口角过小时，流体进入叶轮时会受到较大的冲击，就像汽车高速驶入狭窄的弯道，容易发生碰撞，从而引发冲击损失，降低泵的效率；而进口角过大时，叶片所承受的负荷会集中在局部区域，就像一个人承担了过重的负荷