裴迎舉，宋文武，符 杰，胡 帥，程 偉

(西華大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，成都 610039)

0 前 言

斜流泵又叫做導(dǎo)葉式混流泵，具有占地面積少、外徑小、抗氣蝕性能好、安裝維修方便以及效率高等特點(diǎn)。后置導(dǎo)葉作為斜流泵的主要過流部件，對(duì)其水力特性影響起著重要作用[1,2]。

隨著近年來CFD軟件的功能升級(jí)，在后置導(dǎo)葉對(duì)立式斜流泵水力特性影響方面的研究也逐步深入。楊從新等[3]分別對(duì)雙向FSI 模型和單一流體域不同模型進(jìn)行了比較研究，并基于立式斜流泵不同導(dǎo)葉片數(shù)對(duì)水泵水力性能的影響進(jìn)行研究，為立式斜流泵導(dǎo)葉數(shù)的選擇提供參考；王博珺等[4]應(yīng)用NUMECA軟件，對(duì)一斜流泵內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了速度與漩渦分布，并通過對(duì)流動(dòng)情況的分析，對(duì)出口導(dǎo)葉(后置導(dǎo)葉)進(jìn)行修改，從而改善了流動(dòng)情況，并提高了整機(jī)的性能；邴浩等[5]的通過給定不同的導(dǎo)葉進(jìn)出口邊位置、進(jìn)出口安放角及沿流線分布規(guī)律，在保角變換平面內(nèi)完成葉片的加厚與修圓，并通過數(shù)值計(jì)算預(yù)測(cè)不同導(dǎo)葉對(duì)混流泵水力效率的影響；Kim J.H.等[6]通過數(shù)值模擬研究了混流泵導(dǎo)葉區(qū)直葉段長(zhǎng)度比率、擴(kuò)散段面積比率對(duì)效率的影響；張德勝等[7]針對(duì)斜流泵葉輪和導(dǎo)葉葉片數(shù)及導(dǎo)葉厚度等不同條件，對(duì)葉輪進(jìn)、出口和導(dǎo)葉內(nèi)的壓力脈動(dòng)特性進(jìn)行討論和分析；常書平等[8]為提高導(dǎo)葉式混流泵的水力性能，開展了葉頂間隙、葉輪葉片數(shù)、葉輪葉片安放角和葉輪葉片厚度對(duì)導(dǎo)葉式混流泵水力性能影響的研究；Muggl Felix A 等[9]基于CFD 對(duì)一臺(tái)立式斜流泵從零流量到最大流量工況下的流動(dòng)特性進(jìn)行了研究，得到了其變工況下內(nèi)部不流動(dòng)規(guī)律等。

以上成果多為研究后置導(dǎo)葉數(shù)目對(duì)斜流泵的水力特性影響，以及葉輪葉片安放角、葉輪葉片厚度和葉頂間隙對(duì)導(dǎo)葉式混流泵水力性能影響。本文將針對(duì)不同長(zhǎng)短導(dǎo)葉位置的匹配設(shè)置對(duì)斜流泵內(nèi)部流動(dòng)、出口漩渦、效率和揚(yáng)程等水力特性的影響，基于流線分布及壓力云圖，綜合分析復(fù)合導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)方案下水力特性，為斜流泵對(duì)不同后置導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)的選擇提供參考。

1 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

1.1 計(jì)算模型

斜流泵主要參數(shù)有：流量Q=120 m3/h，揚(yáng)程H=10 m，轉(zhuǎn)速n=2 900 r/min，比轉(zhuǎn)速ns=344。為了能夠更直觀準(zhǔn)確的描述不同后置導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)對(duì)斜流泵水力性能的影響，在基于后置導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)符合流場(chǎng)流線規(guī)律及流道變化平順等設(shè)計(jì)原則的前提下，建立如圖1所示的不同導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)，以探究斜流泵后置長(zhǎng)短導(dǎo)葉不同方案的水力特性。針對(duì)圖1的3種方案，利用三維造型軟件UG建立三維模型，并依據(jù)流線型設(shè)計(jì)理論對(duì)不同導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)三維模型進(jìn)行優(yōu)化，其中3種方案的三維模型如圖2所示。

圖1 導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)方案Fig.1 Vane structure programs

圖2 復(fù)合導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)三維模型Fig.2 3D model of composite vane structure

1.2 網(wǎng)格劃分

針對(duì)以上3種方案三維模型，利用ANSYS ICEM網(wǎng)格劃分軟件，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)其流域進(jìn)行離散化網(wǎng)格處理，如圖3流體域網(wǎng)格所示。為保證數(shù)值計(jì)算的精度，對(duì)葉片、導(dǎo)葉兩端過渡處采取網(wǎng)格加密處理。網(wǎng)格總數(shù)達(dá)到189萬。

圖3 流體域網(wǎng)格劃分Fig.3 Fluid domain mesh

2 計(jì)算分析

2.1 數(shù)值方法

流體運(yùn)動(dòng)的控制方程采用三維、定常、不可壓縮的雷諾時(shí)均N-S方程，由于RNGk-ε湍流模型對(duì)求解高應(yīng)變率及流線彎曲較大的混流泵內(nèi)部有較好的適應(yīng)性[10]，因此采用RNGk-ε湍流模型：

湍動(dòng)能的約束方程：

(1)

湍流耗散率的約束方程：

(2)

其中式子中：

應(yīng)用SIMPLE 算法進(jìn)行求解。壁面采用無滑移壁面，邊界條件進(jìn)口采用壓力進(jìn)口，出口采用質(zhì)量流出流。

2.2 復(fù)合導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)斜流泵揚(yáng)程

通過揚(yáng)程計(jì)算，進(jìn)一步探究不同長(zhǎng)短導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)斜流泵水力特性中揚(yáng)程的影響，其中揚(yáng)程計(jì)算公式：

H=Pout/ρg-Pin/ρg+Δz

(3)

式中：H為揚(yáng)程；Pout為出口壓力；Pin為進(jìn)口壓力；Δz為進(jìn)出口高度差。

為了便于分析，用揚(yáng)程系數(shù)的形式表示:

φ=H/Hd

(4)

式中：φ為揚(yáng)程系數(shù)；Hd為泵設(shè)計(jì)工況下的揚(yáng)程。

基于CFD仿真結(jié)果，統(tǒng)計(jì)出不同導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)揚(yáng)程系數(shù)如圖4所示。

圖4 不同導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)揚(yáng)程系數(shù)Fig.4 Head coefficient of different vane structure

從圖4不同導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)揚(yáng)程系數(shù)可以看出：①隨著流量的加大，揚(yáng)程逐漸減小，方案2和方案3長(zhǎng)短導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)相對(duì)方案1在0.8Qd至1.2Qd流量段揚(yáng)程數(shù)值較小。②短導(dǎo)葉不同位置的方案2和方案3相比，短導(dǎo)葉在進(jìn)口位置相對(duì)出口位置的揚(yáng)程系數(shù)較大。③圖4中方案1、方案2和方案3綜合分析，能夠清晰看出，長(zhǎng)短后置導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)對(duì)斜流泵揚(yáng)程有一定的抑制作用。

2.3 復(fù)合導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)斜流泵效率

對(duì)3種不同導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)的模型利用CFD軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并從仿真結(jié)果中提取出口壓力，計(jì)算不同方案下效率，其中效率計(jì)算公式如下：

η=ρgQH/P

(5)

式中：H為揚(yáng)程；P為泵軸功率；η為泵效率；Q為流量。

其中，效率計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 不同導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)效率 %

從表1不同導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)效率中可以看出：①長(zhǎng)短導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)方案在不同流量段對(duì)斜流泵的整體效率產(chǎn)生較大的影響，其效率在整個(gè)流量段較低；②在0.8Qd至1.2Qd流量段，方案1和方案2長(zhǎng)短導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)的效率相對(duì)方案1的效率較低，在0.8Qd至1.0Qd流量段，短導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)效率甚至下降3.9%，而在1.4Qd流量段附近方案1效率較低，在0.6Qd流量段附近方案3效率最高；③長(zhǎng)短復(fù)合后置導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)對(duì)斜流泵整體效率是有一定的抑制作用。

2.4 流場(chǎng)分析

考慮到采用不同導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)對(duì)斜流泵水力性能的影響，需進(jìn)一步對(duì)葉輪、后置導(dǎo)葉間流道的流場(chǎng)狀態(tài)進(jìn)行分析。在CFD-Post中建立如圖5所示的截面Plane1，同時(shí)提取流線和壓力，如圖6所示。

圖5 Plane1截面位置圖Fig.5 Plane1 cross-section

圖6 不同導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)Plane1截面流線及壓力云圖Fig.6 Flow lines and pressure contours of Plane1 cross-sections of different vane structure

從圖6 不同導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)Plane1截面處流線及壓力云圖可以看出：①方案1、方案2和方案3中壓力最大值依次減?。虎诜桨?中導(dǎo)葉進(jìn)口靠近內(nèi)壁面位置回流漩渦現(xiàn)象較方案2嚴(yán)重，但方案1在導(dǎo)葉出口位置回流漩渦較方案2??；③3種方案導(dǎo)葉出口漩渦呈不對(duì)稱分布；④方案3導(dǎo)葉進(jìn)口靠近內(nèi)壁面位置流場(chǎng)極其不穩(wěn)定，回流漩渦較大，且在導(dǎo)葉出口位置紊流也相當(dāng)明顯，進(jìn)而造成水力損失嚴(yán)重，整體效率相對(duì)降低，同表1“不同導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)效率”和圖4“不同導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)揚(yáng)程系數(shù)”相吻合。

由于單一從Z軸方向的全局流線來看，較難辨析出流場(chǎng)漩渦具體情況，為了更加充分的深入分析導(dǎo)葉間流場(chǎng)狀態(tài)，有必要設(shè)置XY方向截面進(jìn)一步綜合分析。分別如圖7所示建立導(dǎo)葉出口處Plane2截面和距導(dǎo)葉出口處0.02 m位置的Plane3截面，在軟件CFD-Post中計(jì)算出Plane2截面和Plane3截面處的流線及壓力云圖，如圖8所示。

圖7 Plane2、Plane3截面位置圖Fig.7 Plane2 and Plane3 cross-section

圖8 不同導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)Plane2、Plane3截面流線及壓力云圖Fig.8 Flow lines and pressure contours of Plane2 and Plane3 cross-sections of different vane structure

從圖8后置導(dǎo)葉出口處和距導(dǎo)葉出口處0.02 m位置的截面流線及壓力云圖中對(duì)比可以看出: ①兩個(gè)截面位置低壓區(qū)均位于葉片背面，該位置易產(chǎn)生回流漩渦；②3種方案在Plane2截面和Plane3截面處都存在明顯漩渦現(xiàn)象，其中方案3 Plane3截面處回流漩渦在流道內(nèi)間隔交替分布；③方案3中Plane3截面處漩渦現(xiàn)象較方案1和方案3中Plane3截面處的漩渦小，但在Plane2截面處漩渦現(xiàn)象嚴(yán)重。也是造成方案3整體水力特性下降的重要原因。

3 結(jié) 論

(1)復(fù)合導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)中短導(dǎo)葉在出口位置時(shí)，回流漩渦在流道出口處間隔交替分布，集中程度較大，紊流嚴(yán)重。

(2)不同位置的短導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)設(shè)置對(duì)水力特性影響較大，在設(shè)計(jì)流量工況下，短導(dǎo)葉在后置導(dǎo)葉流道的進(jìn)口和出口相比，設(shè)置在出口流場(chǎng)相對(duì)平順，出口漩渦相對(duì)較小，整體水力性能較好，而設(shè)置在進(jìn)口時(shí)，會(huì)加大導(dǎo)葉出口流場(chǎng)紊亂，漩渦明顯；但偏離設(shè)計(jì)流量工況下，設(shè)置在后置導(dǎo)葉流道的進(jìn)口的整體水力性能較好。

(3)復(fù)合導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)在導(dǎo)葉出口處能夠一定程度上改善流場(chǎng)的平順性，但在導(dǎo)葉間內(nèi)部流道造成流場(chǎng)紊亂加劇，加大水力損失，導(dǎo)致斜流泵水力性能的降低，研究結(jié)果可為斜流泵導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

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