何德璋

（宣城市宣州區(qū)雙橋聯(lián)圩水利工程管理處，安徽 宣城 242000）

1 軸流泵性能實(shí)驗(yàn)探討

1.1 幾何模型

高比轉(zhuǎn)速軸流泵的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)為：葉片直徑300mm，葉輪葉片數(shù)3。最高效率模型泵的物理參數(shù)為：流量QBEP=410L/s，揚(yáng)程H=3.2m，效率=80.4%，轉(zhuǎn)速n=1450r/min。

1.2 網(wǎng)格劃分

1.2.1 仿真模型的網(wǎng)格劃分

由于六面體具有良好的質(zhì)量和便于控制的特點(diǎn)，本文利用六面體網(wǎng)格對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值模擬。在此基礎(chǔ)上，采用了具有較高自適應(yīng)性的四面體網(wǎng)格，以適應(yīng)在不同模式下的非預(yù)期的葉片形態(tài)。

1.2.2 計(jì)算方法與邊界條件設(shè)置

由于六面體網(wǎng)格質(zhì)量高，易于控制，因此本文采用六面體網(wǎng)格用于分析其內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)。在優(yōu)化過(guò)程中，使用自適應(yīng)性高的四面體網(wǎng)格來(lái)適應(yīng)模型變化過(guò)程中不可預(yù)見(jiàn)的葉片形狀。本文選用ANSYS CFX對(duì)軸流泵進(jìn)行了計(jì)算。邊界條件的設(shè)置方面，流體介質(zhì)設(shè)置為25℃，入口邊界為總壓入口，壓力為1atm，出口邊界為質(zhì)量流。利用多重參照坐標(biāo)系方法，將葉片流道區(qū)域設(shè)定為轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)系，入口段、導(dǎo)葉和出口段的計(jì)算區(qū)域作為靜止座標(biāo)系，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)間的匹配方式選擇采用GGI，旋轉(zhuǎn)區(qū)和靜止區(qū)的耦合界面選擇采用TFR，而非選擇區(qū)間的耦合界面選擇采用None。方根收斂殘差（RMS）的準(zhǔn)則是1×10-4，選擇SST湍流模型。

1.2.3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析

采用5組不同數(shù)量的網(wǎng)格數(shù)目進(jìn)行計(jì)算，網(wǎng)格總數(shù)分別約為N1=210萬(wàn)，N2=240萬(wàn)，N3=270萬(wàn)。對(duì)高比速軸流泵的網(wǎng)格進(jìn)行無(wú)關(guān)性分析，以減小網(wǎng)格數(shù)目對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，并降低計(jì)算工作量。網(wǎng)格無(wú)關(guān)性的檢驗(yàn)是在不同網(wǎng)格數(shù)條件下模型泵的揚(yáng)程計(jì)算值進(jìn)行的，如圖1所示。揚(yáng)程在初始階段隨網(wǎng)格數(shù)目的增大而增大。在網(wǎng)格數(shù)超過(guò)N1數(shù)值的情況下，揚(yáng)程隨網(wǎng)格數(shù)的增大而減小。在N2數(shù)值以上的區(qū)域，揚(yáng)程變化小于1%，說(shuō)明網(wǎng)格數(shù)對(duì)數(shù)值模擬的影響很小，所以針對(duì)本文的計(jì)算采用240萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格。

圖1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)

1.3 軸流泵性能實(shí)驗(yàn)

在φ500泵模型試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)模型泵展開(kāi)性能測(cè)試，水當(dāng)作介質(zhì)，借助電磁流量計(jì)對(duì)其流量展開(kāi)測(cè)試，流量控制的由電子閥門(mén)完成，采用總線(xiàn)多功能采集系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)。在軸流泵的效率層面，最優(yōu)工況的效率為1.0QBEP。對(duì)0.5QBEP～1.0QBEP驗(yàn)值對(duì)比，得知極大流量時(shí)，實(shí)驗(yàn)值比預(yù)測(cè)的相對(duì)而言低。借助對(duì)數(shù)據(jù)展開(kāi)檢驗(yàn)，得到該泵的工作性能曲線(xiàn)，為其內(nèi)流場(chǎng)的剖析確立了條件。

2 BVF流動(dòng)診斷及泵內(nèi)部流場(chǎng)

借助各個(gè)工況下軸流泵葉片的BVF分布，得知在最優(yōu)工況下BVF布局是均衡的。僅在接近壓力面入口的邊界處和吸力面的輪轂入口位置有個(gè)較小正峰值，表明這一范圍做了負(fù)功，這是因進(jìn)風(fēng)口角度設(shè)計(jì)不當(dāng)而致。本文選用極限流線(xiàn)圖和三種工況下，對(duì)葉片在20%、60%和90%葉片高度上的負(fù)荷、葉片內(nèi)流線(xiàn)布局展開(kāi)探討。

2.1 最優(yōu)工況

如圖2所示，在60%、90%的葉片的壓力面，其入口壓力梯度極大，可見(jiàn)小范圍的正峰值。從軸流泵最優(yōu)工況（1.0QBEP）情況下的內(nèi)流場(chǎng)特點(diǎn)得知，整個(gè)軸流泵總體上是較為穩(wěn)定的。即使有部分流動(dòng)阻礙和BVF較小的正峰值范圍，但對(duì)軸流泵的流體力學(xué)性能及內(nèi)流場(chǎng)可靠性沒(méi)有顯著干擾。

圖2 1.0QBEP不同葉高的葉片載荷

2.2 臨界失速工況

圖3表明了臨界失速工況（0.66QBEP）葉片表面的流線(xiàn)圖。圖3（a）表明葉片壓力面入口在輪轂附近有回流，圖3（c）表明葉片吸力面在輪轂附近出現(xiàn)流動(dòng)錯(cuò)亂，出現(xiàn)回流。圖3（b）表明葉片吸力面中部具有顯著旋渦，流態(tài)極其錯(cuò)亂，BVF正峰值也出現(xiàn)在流態(tài)錯(cuò)亂區(qū)。

圖3 0.66QBEP葉片表面的極限流線(xiàn)圖

圖4（a）表明，鑒于入口液流角的變小，使葉片吸力面的一邊出現(xiàn)傾斜，致使葉片入口的壓力和吸力面均有不同程度的BVF正峰值。圖4（b）表明，流線(xiàn)經(jīng)由葉片后緣流動(dòng)到附近的壓面處，對(duì)其形成相應(yīng)的干擾，這是因?yàn)槿~片的出口角和吸力面造型的失誤而致使的。圖4（c）表明，在葉片吸力面前端一直到葉片中間的漩渦會(huì)使流道里面的流態(tài)下降，以致在葉片吸力面的中央形成BVF正峰值區(qū)域。

圖4 0.66QBEP葉片不同截面上的流線(xiàn)圖

2.3 深度失速工況

圖5（a）表明，臨近輪轂的葉片入口處的流動(dòng)分離程度更深。圖5（b）表明，在葉片中部具有顯著的流動(dòng)分離，20%的高度處，中間的氣壓變動(dòng)較大。圖5（c）表明，在流線(xiàn)的尾緣有顯著的流動(dòng)分離，葉高90%位置處吸力面壓力分布變動(dòng)顯著。此外，鑒于葉片的吸力面型線(xiàn)和出口角的設(shè)計(jì)失誤，致使在葉片出口處的氣流出現(xiàn)錯(cuò)亂，流線(xiàn)經(jīng)由出口后會(huì)偏向附近的葉片，以致對(duì)附近葉片的流態(tài)形成相應(yīng)干擾。此問(wèn)題會(huì)致使葉輪里面的能量消耗，使揚(yáng)程減低，形成“馬鞍區(qū)”。

圖5 0.62QBEP葉片表面的極限流線(xiàn)圖

3 軸流泵葉片的多參數(shù)優(yōu)化

3.1 葉片的參數(shù)化造型

（1）軸流泵葉片截面的參數(shù)選擇。由于設(shè)計(jì)的不同的空間，其橫斷面會(huì)根據(jù)一定的規(guī)則來(lái)構(gòu)成一個(gè)整體，因此，葉片剖面的大小直接影響到葉片的外形，而產(chǎn)生截面的關(guān)鍵是確定截面的參數(shù)。本文選用圓弧法對(duì)軸流泵的二維剖面開(kāi)展設(shè)計(jì)，詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

表1 各個(gè)截面的主要參數(shù)

（2）軸流泵葉片的約束與造型。使用Catia軟件繪制軸流泵的二維截面圖。利用知識(shí)表模塊寫(xiě)入模型的幾何參數(shù)，編制葉片工作面的控制參數(shù)，編輯二維截面最大厚度與位置厚度的關(guān)系。利用這種方法，使二維截面完全受限制，二位截面可以通過(guò)改變知識(shí)表中的參量自動(dòng)修正。軸流泵型葉片建模，與上面所述的二維截面相似，需用5～8次模擬軟件掃描成型。因?yàn)樗械慕孛娑荚谝粋€(gè)平面上，所以只需要將一個(gè)平面水平移動(dòng)到豎直方向。由此求出各截面的空間位置，得出一組曲線(xiàn)。另外，用Caita軟件對(duì)曲線(xiàn)進(jìn)行光順修復(fù)，最大誤差為0.01mm。之后，掃描不同部位的葉片截面，完成葉片的參數(shù)造型。

3.2 葉片進(jìn)、出口角的優(yōu)化

對(duì)不同工況下優(yōu)化前后的軸向速度和速度環(huán)量對(duì)比分析，得出結(jié)論：在1.0QBEP和0.66QBEP工況下，葉片入口軸向速度和速度環(huán)量的變化趨勢(shì)大致相同。當(dāng)0.62QBEP時(shí)，優(yōu)化前葉輪入口軸向流速為負(fù)，而優(yōu)化后的入口軸向速度相對(duì)穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)負(fù)值，反映進(jìn)入口的回流狀況有所變好。在0.62QBEP工況下，葉片入口轉(zhuǎn)速環(huán)量隨直徑系數(shù)的增加而增加，就此可知，在葉片入口處，有較大的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，使葉片入口流態(tài)下降。優(yōu)化后，速度環(huán)量顯著提高。

3.3 葉片厚度的優(yōu)化

選用多島遺傳算法優(yōu)化模型，借助500步迭代計(jì)算后得出83.17%的最優(yōu)效率，比優(yōu)化前增強(qiáng)了2.77%。得出結(jié)論如下：優(yōu)化方式可對(duì)輪緣處的厚度進(jìn)行降低，輪轂處的葉片厚度進(jìn)行增加，而在葉片中間位置界面的厚度則進(jìn)行較小的變更。根據(jù)對(duì)最優(yōu)工況下的內(nèi)流場(chǎng)和葉片入口流態(tài)的解析，得知在低流量工況下，葉片入口角要超過(guò)低流量的需求，在葉片入口處會(huì)出現(xiàn)流動(dòng)分離，使其偏向葉片的吸力面。鑒于在0.66QBEP和0.62QBEP的葉片輪緣處渦流變動(dòng)更加顯著，對(duì)附近葉片的做功性能造成相應(yīng)的干擾。故此根據(jù)對(duì)葉片輪緣入口角和厚度的減少進(jìn)行優(yōu)化，合理地改進(jìn)葉片入口的流動(dòng)，并能有效控制低流量工況下葉片吸力面中央造成的漩渦。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）對(duì)二維截面出、入口角進(jìn)行了優(yōu)化，得知在1.0QBEP工況下，葉片壓力面入口位置的BVF分布有顯著的改進(jìn)，葉輪內(nèi)的流動(dòng)較為穩(wěn)定，0.66QBEP時(shí)，葉片吸力面中央BVF的正峰和漩渦流動(dòng)狀態(tài)均有改進(jìn)。（2）對(duì)二維截面的最大厚度進(jìn)行了優(yōu)化，得知在1.0QBEP工況下，葉片壓力面入口位置的BVF分布明顯好轉(zhuǎn)，葉輪內(nèi)的流動(dòng)較為穩(wěn)定。葉片高度在90%的時(shí)，葉片截面位置的漩渦流動(dòng)有顯著的改進(jìn)。針對(duì)軸向速度，優(yōu)化后的稍低于優(yōu)化前；針對(duì)回流現(xiàn)象和速度環(huán)量，在0.62QBEP工況下均有改進(jìn)。（3）對(duì)葉片出、入口角以及厚度進(jìn)行了優(yōu)化，使1.0QBEP工況下的流態(tài)得到改進(jìn)。當(dāng)所處低流量工況時(shí)，輪緣入口角和壁厚的降低有益于增強(qiáng)入口流態(tài)，合理地控制錯(cuò)亂流態(tài)現(xiàn)象的出現(xiàn)。