張慶宏， 施衛(wèi)東， 謝占山， 史周浩， 譚林偉

(南通大學 機械工程學院， 江蘇 南通 226019)

軸流泵具有低揚程、大流量的特點，廣泛應用于農(nóng)業(yè)排灌、城市供水、船舶行業(yè)及南水北調(diào)等工程[1]。軸流泵在非設計工況下運行時，泵的性能降低，效率低下，會對泵產(chǎn)生損壞，影響泵的使用壽命，這會對軸流泵的穩(wěn)定運行產(chǎn)生不利的影響[2]。嚴重者可能會使軸流泵的流量和效率嚴重下降，轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生裂紋，同時伴隨著振動和噪聲[3-4]。

一直以來，許多學者研究了不同參數(shù)對泵性能及內(nèi)部湍流的影響做出了很多貢獻。施衛(wèi)東等[5]與譚林偉等[6]為了改善單葉片泵的性能，分別研究了葉片開縫和葉片出口安放角對單葉片泵的影響，結果表明在葉片尾緣開縫時，對泵的外特性影響較小，減小葉輪徑向受力情況，提高單葉片泵的可靠性和使用壽命；單葉片泵的揚程，效率隨著葉片出口安放角增大而提高，增大到18°以后，變化不顯著。李偉等[7-9]研究了不同流量對泵性能和內(nèi)部流場的影響，揭示了不同流量工況下泵性能的變化和內(nèi)部流動特征。張碩等[10-11]研究了不同轉(zhuǎn)速對泵性能的影響，結果表明在葉輪幾何參數(shù)不變的條件下，轉(zhuǎn)速的提高有利于提高水泵的揚程，轉(zhuǎn)速改變后，葉輪受到的力會偏離相似理論的計算值。吳晨暉等[12-13]研究了空化對葉輪內(nèi)部流動特性以及能量轉(zhuǎn)換特性的影響，結果表明，隨著空化程度的進一步增大，泵揚程下降，水力性能下降。初長虹，何耘等[14-16]研究了進水口淹沒深度對泵內(nèi)部流場的影響，通過數(shù)值模擬，分析了不同淹沒深度下流道進水口的流場結構，旋渦的渦量變化及分布規(guī)律，揭示了進水口淹沒深度對泵內(nèi)部流場的影響規(guī)律。

而現(xiàn)有的研究對出水口淹沒深度和葉輪轉(zhuǎn)速對泵的影響還較少，為了研究這一工況下軸流泵的性能和內(nèi)部湍流特征，本文以CFX為平臺開展了0.8 n～1.2 n工況下的軸流泵出水口在不同淹沒深度下轉(zhuǎn)輪區(qū)流場的特征研究，以揭示不同淹沒深度對軸流泵揚程、效率曲線及內(nèi)部流場的影響。

1 幾何模型與邊界條件

1.1 幾何模型

本文以1600QZB-85軸流泵為研究對象，并建立仿真模型，其基本參數(shù)為：設計流量Q=10.0 t/s；設計揚程H=5.49 m；額定轉(zhuǎn)速n=295 r/min；最大揚程Hmax=6.48 m。結構參數(shù)：葉輪直徑D=1 540 mm；葉片數(shù)Zy=4；導葉數(shù)Zd=7。三維模型如圖 1 所示。

圖1 軸流泵三維模型

1.2 網(wǎng)格劃分

計算域的流場劃分為進口區(qū)、葉輪區(qū)、導葉區(qū)和出口區(qū)4個部分。并對流道近壁面進行了局部加密處理。軸流泵內(nèi)部流場計算域的結構化網(wǎng)格劃分如圖2所示，整個計算域共4 548 181個體網(wǎng)格單元，計算網(wǎng)格數(shù)如圖表1所示。

圖2 軸流泵的計算網(wǎng)格

表1 軸流泵計算區(qū)域網(wǎng)格數(shù)

1.3 邊界條件設置

邊界條件設置如下：進口為質(zhì)量流量，出口為壓力出口條件；壁面選擇無滑移壁面；殘差收斂精度設置為 10-4。

1.4 空化模型和湍流模型

本文采用基于Rayleigh-Plesset方程的均相空化流模型和標準k-ε湍流模型。

連續(xù)性方程：

(1)

動量方程：

(2)

式中：ui、uj為速度分量；ρm為混合相密度；δij為克羅內(nèi)克常數(shù)；μ為層流黏度；μt為湍流黏度。

標準k-ε湍流模型：

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：vt為湍流渦黏性系數(shù)；k為湍動能；ε為耗散率；Gk為由于平均速度梯度引起的湍動能k的生成相；σk為湍動能k的湍流普朗特數(shù)；σε為耗散率ε的湍流普朗特數(shù)。

2 仿真結果的分析與討論

2.1 出水口淹沒深度對軸流泵效率和揚程的影響

圖3為軸流泵在設計流量下，不同的轉(zhuǎn)速，出口在不同淹沒深度下的效率和揚程曲線圖。從圖3(e)可以看出，在額定轉(zhuǎn)速，設計流量工況下，通過數(shù)值模擬得到的揚程最優(yōu)點在出水口淹沒深度為5 m，最優(yōu)揚程5.472 m，而設計揚程為5.49 m，計算揚程與設計揚程的誤差在2%以內(nèi)，由此可以看出計算的揚程和設計的揚程吻合的比較好，說明了數(shù)值模擬的結果具有一定的可靠性。

圖3 出水口在不同淹沒深度下的效率和揚程

從圖3(a～h)可知，葉輪在不同轉(zhuǎn)速(0.8 n～1.2 n)，出水口淹沒深度在1～5 m，泵的揚程和效率隨著出水口淹沒深度的增加而增加，出水口淹沒深度在6～10 m，泵的揚程和效率隨著出水口淹沒深度的增加而減小。出水口在不同的淹沒深度工況下，軸流泵的效率變化約為2%，但存在一個最佳的出水口淹沒深度，最佳淹沒深度約為5 m。而出水口深度在1～5 m時，葉片的吸力面發(fā)生了空化，能量損失大。隨著淹沒深度的增加，葉片的空化體積減小，泵的揚程和效率提高。出水口在淹沒深度5 m的時候葉片基本沒有空化發(fā)生，泵的揚程和效率最高。

2.2 出水口淹沒深度為5 m，葉輪轉(zhuǎn)速對軸流泵效率揚程的影響

圖4為出水口淹沒深度為5 m，不同轉(zhuǎn)速下的效率和揚程圖。從圖4可知，在出水口淹沒深度為5 m時，軸流泵的揚程隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大，效率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在額定轉(zhuǎn)速工況下效率最高。從圖3和圖4可知，葉輪轉(zhuǎn)速對軸流泵的影響比出水口淹沒深度大。

圖4 出水口淹沒深度為5 m，不同葉輪轉(zhuǎn)速下的效率和揚程

2.3 出水口淹沒深度對軸流泵葉片壓力分布的影響

葉片的壓力分布會隨著出口淹沒深度的改變而發(fā)生變化。選取了3個代表工況(出口淹沒深度分別為1.0 m,5.0 m,10.0 m)進行分析。從圖5和圖6可以看出，隨著出口淹沒深度的增大，葉片吸力面的壓力和壓力面的壓力增大，在進口外緣處壓力增大較為顯著；各個葉片的壓力呈現(xiàn)非對稱性。葉片徑向壓力分布存在一定的梯度變化。壓力分布的低壓區(qū)與空泡相分布的位置有很好的吻合度。

圖5 葉片在出水口不同淹沒深度下的吸力面壓力分布

圖6 葉片在出水口不同淹沒深度下的壓力面壓力分布

軸流泵的葉片壓力面壓力從葉片進水邊向葉片出水邊逐漸升高。葉片吸力面外緣附近處形成了低壓, 即在外緣處會更容易發(fā)生空化?？栈斐蓛?nèi)部湍流，內(nèi)部能耗較大，從而降低水泵的效率。

2.4 出水口淹沒深度對軸流泵葉片空泡體積分數(shù)分布的影響

圖7為額定葉輪轉(zhuǎn)速工況下，葉片吸力面在出口不同淹沒深度下的空泡體積分布，圖8為額定葉輪轉(zhuǎn)速工況下，葉片壓力面在出水口不同淹沒深度下的空泡體積分布。由圖7可知，隨著出口淹沒深度的的減小，葉片的空泡體積分布增大，空泡首先在葉片吸力面進口外緣附近產(chǎn)生，然后沿葉片吸力面向出口方向擴散。隨著出口淹沒深度的減小，葉片的空化越嚴重，泵的性能也就越差。在出口淹沒深度為1.0 m工況下葉片的空化程度最為嚴重，出口淹沒深度為3.0 m工況下次之，出口淹沒深度為5.0 m工況最輕，幾乎沒有空化，出水口淹沒深度大于5.0 m，葉片沒有發(fā)生空化?？栈跎A段葉輪內(nèi)的空泡首先在葉片吸力面進口外緣位置處產(chǎn)生，最先在該位置產(chǎn)生的原因是葉片背面進口位置處于低壓位置。

2.5 出水口淹沒深度對軸流泵葉片湍動能耗散的影響

由圖9和圖10可以發(fā)現(xiàn)，隨著出水口淹沒深度的增加，葉片吸力面和壓力面的湍動能損耗呈現(xiàn)小幅變化，先減小后增大的特征，吸力面的湍動能損耗比壓力面湍動能損耗嚴重；葉片進水口處的湍動能損耗比出水口處大；湍動能損耗從輪轂處向輪緣處呈階梯性變化，葉片輪緣處湍動能損耗比輪轂處大。湍動能損耗越嚴重，能量損失越嚴重，造成軸流泵的效率越低。結合圖5～10可知，在額定的葉輪轉(zhuǎn)速工況下，出水口淹沒深度在5 m時，軸流泵的效率最高，與圖3所示的效率圖吻合。

圖7 葉片吸力面在出水口不同淹沒深度下的空泡體積分布

圖8 葉片壓力面在出水口不同淹沒深度下的空泡體積分布

圖9 出水口不同淹沒深度葉片吸力面湍動能損耗

圖10 出水口不同淹沒深度葉片壓力面湍動能損耗

2.6 出水口淹沒深度對軸流泵流場的影響

從圖11可知，隨著出水口淹沒深度的增加，速度先增大后減小，與圖3所示揚程圖吻合；出水口淹沒深度為5 m時(圖11b)的流場，比出水口淹沒深度1.0 m(圖11a)和出水口淹沒深度10.0 m(圖11c)的流態(tài)更好。流場紊亂會造成軸流泵的效率下降。從圖3和圖11可知，出水口淹沒深度在5 m時，揚程最大，效率最高。

圖11 額定葉輪轉(zhuǎn)速不同出水口淹沒深度下的速度流場

2.7 出水口淹沒深度為5 m，葉輪轉(zhuǎn)速對軸流泵流場的影響

從圖12可知，隨著葉輪轉(zhuǎn)速的提高，速度也隨之增大，軸流泵的揚程增大，與圖4所示結果一致。在額定葉輪轉(zhuǎn)速工況下(圖12b)的流場，較0.8 n(圖12a)和1.2 n(圖12c)流場的流態(tài)好。偏離額定葉輪轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)輪區(qū)的流場越紊亂，流場紊亂會造成軸流泵的效率下降。從圖4和圖12研究得出，軸流泵在額定葉輪轉(zhuǎn)速的工況下，效率最高。

圖12 出水口淹沒深度為5 m，不同葉輪轉(zhuǎn)速下的速度流場

3 結 論

(1)在轉(zhuǎn)速相同的工況下，軸流泵的揚程隨著出水口淹沒深度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的特征；軸流泵的效率隨著出水口淹沒深度的增大呈現(xiàn)先增大后減小的特征，且存在一個使軸流泵的效率最佳的出水口淹沒深度；出水口淹沒深度變化對軸流泵的效率影響約為2%。

(2)在轉(zhuǎn)速相同的工況下，隨著出水口淹沒深度的增大，轉(zhuǎn)輪區(qū)葉片吸力面和壓力面的壓力隨之增大；低壓區(qū)與空泡相分布的位置有很好的吻合度。

(3)轉(zhuǎn)輪區(qū)的湍動能損耗隨著出水口淹沒水深的增加，其湍動能損耗呈現(xiàn)小幅變化，先減小后增大，且湍動能損耗在葉輪區(qū)呈現(xiàn)非對稱分布。

(4)出水口淹沒深度為5 m時，隨著葉輪轉(zhuǎn)速的增加，軸流泵的揚程增加；軸流泵的效率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。