常杰元 黎義斌,2 馬文生 張人會(huì),2 劉欣 牛騰

1（蘭州理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院 蘭州 730050）

2（蘭州理工大學(xué)核級(jí)泵先進(jìn)裝備創(chuàng)新研究中心 蘭州 730050）

3（重慶水泵廠有限責(zé)任公司 重慶 400033）

高溫液態(tài)鉛鉍合金具有較好的導(dǎo)熱性、化學(xué)穩(wěn)定性，第四代核能系統(tǒng)論壇將高溫液態(tài)鉛鉍金屬作為目標(biāo)冷卻劑之一。軸流泵因其具有低揚(yáng)程、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝靈活等優(yōu)點(diǎn)［1-2］，可滿足反應(yīng)堆熱量轉(zhuǎn)移、結(jié)構(gòu)安裝及安全性等設(shè)計(jì)要求，成為鉛鉍泵設(shè)計(jì)泵型之一［3］。而高溫液態(tài)鉛鉍介質(zhì)屬于高密度、高能量和高黏度的不可壓縮流體，會(huì)對(duì)軸流葉片輪緣進(jìn)口邊產(chǎn)生沖刷磨損效應(yīng)［4］，使軸流葉片頭部形成卷邊磨損效應(yīng)，造成材料表面保護(hù)膜破裂加速腐蝕［5］。

Zhang等［6］研究發(fā)現(xiàn)，高溫液態(tài)鉛鉍金屬會(huì)對(duì)鉛鉍泵葉輪輪緣產(chǎn)生侵蝕作用；Wang等［7］闡明軸流鉛鉍泵葉輪在工作狀態(tài)時(shí)處于高速旋轉(zhuǎn)，其表面的高溫液態(tài)金屬流動(dòng)速度可以達(dá)到10 m·s-1；武少杰等［8］利用高溫液態(tài)金屬動(dòng)能沖擊材料表面得到大寬深比焊縫，說(shuō)明高溫液態(tài)鉛鉍金屬對(duì)材料的沖刷磨損效應(yīng)不容忽視［9］；為了預(yù)測(cè)液態(tài)金屬對(duì)材料沖刷磨損特征，彭湃等［10］設(shè)計(jì)新型試驗(yàn)裝置研究液態(tài)金屬對(duì)壁面材料的沖刷磨損。

目前，控制高溫液態(tài)鉛鉍金屬?zèng)_刷磨損材料表面的主要方法有耐磨蝕涂層技術(shù)及流場(chǎng)優(yōu)化等［11-13］。Zhu等［14］通過(guò)微弧氧化的方法提高材料的耐腐蝕性；Kurata等［15］研究了合金涂層在防腐屏障中的適用性；Chen等［16］通過(guò)研究液態(tài)金屬與界面的潤(rùn)濕性及剪切力表征材料耐腐蝕性；王凱琳等［17］通過(guò)優(yōu)化流場(chǎng)改善液態(tài)金屬?zèng)_刷磨損材料表面。雖然學(xué)者在防腐蝕方面做了許多工作，但通過(guò)水力設(shè)計(jì)角度進(jìn)行防腐蝕設(shè)計(jì)的研究較少，本文聚焦高溫液態(tài)鉛鉍金屬對(duì)軸流葉輪葉片沖刷磨損問(wèn)題，通過(guò)對(duì)磨損因素進(jìn)行分析，并改變?nèi)~頂間隙結(jié)構(gòu)以改善流態(tài)角度，研究葉輪葉片的沖刷磨損特征。本研究為軸流鉛鉍泵葉輪的減磨損設(shè)計(jì)提供了理論幫助。

1 計(jì)算模型及數(shù)值方法

1.1 沖刷磨損影響因素分析

高溫液態(tài)鉛鉍金屬對(duì)過(guò)流部件沖刷磨損是流體以一定的速度及角度沖擊材料表面，造成材料表面保護(hù)膜破裂或損壞，該過(guò)程視為液態(tài)鉛鉍金屬對(duì)材料物理受力，主要表現(xiàn)在剪切力方面。根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律，剪切力是動(dòng)力黏度系數(shù)與速度梯度的關(guān)系，其表達(dá)公式為［18］：

為了更加清晰地闡明剪切力與流動(dòng)介質(zhì)物性參數(shù)關(guān)系，引入邊界層理論及動(dòng)量損失定律，得到湍流條件下切應(yīng)力表達(dá)公式為：

式中：σ為邊界層厚度，m；Re為雷諾數(shù)；μ為動(dòng)力黏度系數(shù)，Pa·s；du/dy為速度梯度，m·s-1；a為剪切力系數(shù)；ρ為液態(tài)鉛鉍金屬的密度，kg·m-3；u為流速，m·s-1；υ為動(dòng)力黏度系數(shù)，m2·s-1。

根據(jù)剪切力公式（1）和（3）可以發(fā)現(xiàn)，沖刷磨損與介質(zhì)黏度、速度梯度、流速及密度相關(guān)。

1.2 物理模型及網(wǎng)格處理

以軸流鉛鉍泵為研究對(duì)象，其額定揚(yáng)程H=5.5 m，額定流量Q=760 m3·h-1，額定轉(zhuǎn)速n=1 250 r·min-1。葉輪葉片5枚，導(dǎo)葉葉片9枚，葉輪葉頂平面間隙為0.5 mm。利用設(shè)計(jì)參數(shù)三維建模，圖1為軸流鉛鉍泵三維模型示意圖。

圖1 鉛鉍軸流泵三維模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of 3D model of lead-bismuth axial flow pump

為了降低高溫液態(tài)鉛鉍金屬對(duì)軸流葉片頭部輪緣的沖刷磨損，通過(guò)降低流速及改善流態(tài)的角度設(shè)計(jì)了兩種葉頂間隙結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，三種結(jié)構(gòu)模型依次為平面設(shè)計(jì)、倒直角及倒圓角設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 葉頂間隙結(jié)構(gòu)示意圖(a) 平面方案，(b) 倒直角方案，(c) 倒圓角方案Fig.2 Schematic diagram of the leaf top clearance structures(a) Plane, (b) Chamfering, (c) Rounding

圖3為軸流鉛鉍泵及葉頂間隙結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格示意圖。采用六面體網(wǎng)格對(duì)流體域網(wǎng)格劃分，對(duì)重點(diǎn)分析區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，保證滿足湍流模型精度要求［19］。為證明數(shù)值計(jì)算結(jié)果不受網(wǎng)格數(shù)的影響，選擇軸流鉛鉍泵揚(yáng)程為監(jiān)測(cè)參數(shù)進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，如圖4所示。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到483萬(wàn)時(shí)，繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)，軸流鉛鉍泵揚(yáng)程計(jì)算結(jié)果趨于穩(wěn)定，證明監(jiān)測(cè)參數(shù)揚(yáng)程對(duì)網(wǎng)格數(shù)的增加不再敏感，因此將總網(wǎng)格數(shù)控制在480萬(wàn)左右。

圖3 計(jì)算域網(wǎng)格示意圖Fig.3 Schematic of domain grid

圖4 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證Fig.4 Verification of the grid independence

1.3 邊界條件

本文利用水力仿真軟件ANSYS CFX進(jìn)行三維定常流場(chǎng)模擬，邊界條件設(shè)置如下：葉輪為旋轉(zhuǎn)域，其余部件為靜止域，內(nèi)部參考大氣壓均為101 325 Pa，流體計(jì)算模型采用SSTk-ω湍流模型，設(shè)置轉(zhuǎn)速為1 250 r·min-1。壁面為無(wú)滑移壁面，近壁面區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理，域之間采用Interface連接，選取GGI（General Grid Interface）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞。數(shù)值計(jì)算時(shí)設(shè)置鉛鉍合金溫度為350 ℃，此時(shí)液態(tài)金屬密度為10 320 kg·m-3，黏度為0.001 94 Pa·s，采用進(jìn)口條件為質(zhì)量流量進(jìn)口，出口條件為自由出流，設(shè)置出口壓力為0 Pa。

1.4 實(shí)驗(yàn)裝置及模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果可靠性，由于試驗(yàn)設(shè)備的限制，在閉式試驗(yàn)臺(tái)上開展同轉(zhuǎn)速、縮比系數(shù)（γ）為0.48的平面方案間隙模型葉輪進(jìn)行自來(lái)水外特性試驗(yàn)，圖5為試驗(yàn)臺(tái)布置圖，圖6為模型試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)臺(tái)由電動(dòng)機(jī)、模型泵、壓力傳感器、電磁流量計(jì)、閥門、水箱等組成。當(dāng)進(jìn)行外特性試驗(yàn)時(shí)，需要等待3～5 min，待流動(dòng)穩(wěn)定后再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖5 試驗(yàn)裝置工作流程示意圖Fig.5 Workflow diagram of experimental setup

圖6 軸流泵模型清水試驗(yàn)場(chǎng)地照片F(xiàn)ig.6 Site photo of axial flow pump model for clean water test

當(dāng)數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，為了保證計(jì)算模型的實(shí)際工程意義，故采用縮比前的模型進(jìn)行數(shù)值模擬，在平面葉頂間隙結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果相互驗(yàn)證時(shí)，需將平面模型所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相似換算得到原型的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)相似換算定義縮比系數(shù)為：

式中：γ為縮比系數(shù)，γ=0.48。DM、DP分別為模型機(jī)和原型機(jī)葉輪外徑尺寸，假設(shè)二者滿足幾何相似和動(dòng)力相似，則揚(yáng)程系數(shù)、流量系數(shù)可得模型與原型揚(yáng)程、流量之間的換算關(guān)系：

式中：HM、HP、QM、QP、nM、nP分別為模型與原型的揚(yáng)程、流量和轉(zhuǎn)速。

圖7為試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果繪制的外特性曲線圖，可以看出，高溫液態(tài)鉛鉍金屬的數(shù)值模擬結(jié)果與介質(zhì)水?dāng)?shù)值模擬結(jié)果保持基本一致，說(shuō)明鉛鉍介質(zhì)與水的結(jié)果具有可靠的相似度，且介質(zhì)水?dāng)?shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)外特性曲線的發(fā)展趨勢(shì)一致，試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬的最大偏差在4%以內(nèi)，處于可接受誤差范圍之內(nèi)，因此計(jì)算模型和數(shù)值方法較準(zhǔn)確。

圖7 軸流鉛鉍泵模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證Fig.7 Model accuracy verification for axial lead-bismuth pump

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 葉頂間隙結(jié)構(gòu)對(duì)軸流鉛鉍泵性能的影響

針對(duì)三種葉頂間隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行介質(zhì)為液態(tài)鉛鉍金屬的水力性能計(jì)算，得到揚(yáng)程、效率隨流量變化的外特性曲線，如圖8所示。

圖8 外特性曲線Fig.8 External characteristic curve

從圖8可以看出，三種葉頂間隙結(jié)構(gòu)下軸流泵的揚(yáng)程、效率曲線十分相近，其中在1.0Q工況點(diǎn)，倒直角方案和倒圓角方案的揚(yáng)程相較原方案分別降低了1.02%和0.51%，倒直角方案效率降低了0.64%，而倒圓角方案效率提升了0.51%，這是由于葉頂間隙結(jié)構(gòu)處間隙徑向距離增大進(jìn)而增大了泄漏損失，造成了軸流鉛鉍泵水力性能下降，而倒圓角方案的水力效率反而提升是因?yàn)閷?duì)葉頂間隙倒圓角使液態(tài)鉛鉍金屬?gòu)膲毫γ嫫骄忂^(guò)渡改善了該位置的流態(tài)。在0.8Q到1.2Q內(nèi)揚(yáng)程、效率的最大偏差分別為3.39%和3.28%，說(shuō)明在水力性能要求不高的前提下可以采用倒直角方案和倒圓角方案。

2.2 不同葉頂間隙結(jié)構(gòu)下壁面流速規(guī)律分析

根據(jù)式（3）發(fā)現(xiàn)高溫液態(tài)鉛鉍金屬流速對(duì)材料沖刷磨損有至關(guān)重要的影響。為了直觀分析液態(tài)鉛鉍金屬流速對(duì)葉輪葉片表面沖刷磨損特征，選取輪轂流線、中間流線和輪緣流線的截面分析沖刷磨損特征，其截面位置為葉高20%、50%和90%。

圖9、10為不同葉頂間隙結(jié)構(gòu)下葉輪葉片壓力面、吸力面流速隨流線變化曲線規(guī)律，可以看出，葉片壓力面和吸力面高速流主要分布在葉片進(jìn)口邊且沿著流線向出口邊逐漸遞減，但在出口邊流速陡升，液態(tài)鉛鉍金屬流速直接影響葉片表面材料的磨損程度，說(shuō)明液態(tài)鉛鉍金屬流速對(duì)葉片頭部的沖刷磨損起到促進(jìn)作用。對(duì)比三種結(jié)構(gòu)在葉片表面的流速隨流線變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)倒直角和倒圓角葉片結(jié)構(gòu)比較平面設(shè)計(jì)其葉片壓力面和吸力面頭部輪緣流速分別下降了2.9%和8.8%，表現(xiàn)出葉片吸力面沖刷磨損程度有了更大程度的改善，且葉片表面流速分布沿軸向從進(jìn)口到出口分布更加均勻。倒直角和倒圓角結(jié)構(gòu)在壓力面和吸力面的輪轂流線和中間流線上流速最少下降了5.8%。觀察流速在輪緣流線上變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)模型較平面模型在葉片壓力面的出口邊流速有所提升，而在葉片吸力面倒直角方案在中段凸起，增加了葉片后段的速度梯度。液態(tài)金屬流速對(duì)材料表面沖刷磨損有重大影響，而倒直角、倒圓角設(shè)計(jì)有效降低了葉片表面流速和速度梯度從而改善了葉片表面的沖刷磨損情況。

圖9 不同葉頂間隙結(jié)構(gòu)下壓力面流速分布曲線(a) 輪轂流線，(b) 中間流線，(c) 輪緣流線Fig.9 Distribution curves of flow velocity on the pressure surface under different leaf top clearance structures(a) Wheel streamlines, (b) Median streamlines, (c) Flange streamlines

圖10 不同葉頂間隙結(jié)構(gòu)下吸力面流速分布曲線(a) 輪轂流線，(b) 中間流線，(c) 輪緣流線Fig.10 Distribution curves of flow velocity on the suction surface under different leaf top clearance structures(a) Wheel streamlines, (b) Median streamlines, (c) Flange streamlines

2.3 不同葉頂間隙結(jié)構(gòu)下沖刷磨損規(guī)律分析

高溫液態(tài)鉛鉍金屬對(duì)材料表面的沖刷磨損主要表現(xiàn)在剪切力方面，因此，為了對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)工況下不同葉頂間隙結(jié)構(gòu)的沖刷磨損特性，采用剪切力定性及定量進(jìn)行沖刷磨損特征研究。

圖11為標(biāo)準(zhǔn)工況下不同葉頂間隙的葉輪葉片壓力面和吸力面剪切力分布規(guī)律。從圖11可以看出，葉片表面剪切力分布沿徑向從輪轂向輪緣呈遞增趨勢(shì)，但葉片進(jìn)口邊靠近泵體內(nèi)壁面一側(cè)切應(yīng)力陡升，說(shuō)明高溫液態(tài)金屬對(duì)葉片的沖刷磨損主要發(fā)生在葉片輪緣進(jìn)口邊附近，這是由于該位置存在流速較大、高強(qiáng)度渦，造成液態(tài)金屬對(duì)壁面材料的沖刷磨損增大。對(duì)比三種葉頂間隙下剪切力變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)倒直角和倒圓角設(shè)計(jì)降低了葉片表面輪緣一側(cè)的剪切力且增強(qiáng)了輪轂一側(cè)的剪切力，使葉片表面剪切力沿徑向從輪轂到輪緣更均勻，因此，倒直角和倒圓角設(shè)計(jì)能夠有效降低液態(tài)金屬對(duì)軸流葉片的沖刷磨損，在水力性能允許的情況下可以考慮倒直角和倒圓角設(shè)計(jì)降低葉片表面的磨損現(xiàn)象。

圖11 不同葉頂間隙結(jié)構(gòu)下葉輪葉片剪切力分布云圖(a) 葉輪模型，(b) 平面方案， (c) 倒直角方案， (d) 倒圓角方案Fig.11 Cloud contour of impeller blade shear force distribution under different leaf top clearance structures(a) Impeller, (b) Plane, (c) Chamfering, (d) Rounding

為了能夠定量對(duì)比分析不同葉頂間隙的葉片表面剪切力變化，選取輪轂流線、中間流線及輪緣流線上切應(yīng)力隨流線數(shù)值進(jìn)行分析。

圖12和圖13為設(shè)計(jì)工況下不同葉頂間隙結(jié)構(gòu)葉輪葉片在壓力面和吸力面的剪切力曲線?？梢钥闯?，高沖刷磨損區(qū)域主要分布在葉片進(jìn)口邊，且沿著流線從進(jìn)口到出口逐漸降低。對(duì)比葉片表面剪切力數(shù)值發(fā)現(xiàn)倒直角和倒圓角設(shè)計(jì)的沖刷磨損效應(yīng)比較平面設(shè)計(jì)有所降低，其葉片輪緣進(jìn)口邊剪切力平均下降了5.5%，中間流線進(jìn)口邊下降了5.8%，這是由于倒圓角設(shè)計(jì)使液態(tài)鉛鉍金屬平穩(wěn)過(guò)渡進(jìn)而改善葉頂間隙附近流態(tài)，而倒直角設(shè)計(jì)采用間隙增大從而降低流速。對(duì)比兩種設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)倒圓角設(shè)計(jì)對(duì)于控制葉片表面材料沖刷磨損效果更優(yōu)，通過(guò)剪切力表征量化的方法驗(yàn)證了倒直角和倒圓角設(shè)計(jì)能夠有效降低葉片表面的沖刷磨損情況，因此，在水力性能要求條件允許的情況下可采取倒直角和倒圓角的設(shè)計(jì)方法降低液態(tài)鉛鉍金屬對(duì)軸流葉片表面的磨損影響。

圖12 不同葉頂間隙結(jié)構(gòu)下壓力面剪切力曲線(a) 輪轂流線，(b) 中間流線，(c) 輪緣流線Fig.12 Shear curves on pressure surface under different leaf top clearance structures(a) Wheel streamlines, (b) Median streamlines, (c) Flange streamlines

圖13 不同葉頂間隙結(jié)構(gòu)下吸力面剪切力曲線(a) 輪轂流線，(b) 中間流線，(c) 輪緣流線Fig.13 Shear curves on suction surface under different leaf top clearance structures(a) Wheel streamlines, (b) Median streamlines, (c) Flange streamlines

2.4 不同葉頂間隙結(jié)構(gòu)下渦分布規(guī)律分析

高溫液態(tài)鉛鉍金屬流態(tài)的變化不僅消耗機(jī)械能而且影響泵的水力性能，對(duì)葉片表面的沖刷磨損起到加速作用。研究不同葉頂間隙下葉片頭部液態(tài)鉛鉍金屬的流態(tài)變化，闡明流態(tài)對(duì)磨損特征的作用規(guī)律，為了更清晰地觀察流態(tài)變化，對(duì)流態(tài)進(jìn)行Q準(zhǔn)則的渦識(shí)別處理且設(shè)置閥值level為0.04，并用速度進(jìn)行上色。

圖14為標(biāo)準(zhǔn)工況下不同葉頂間隙的葉輪葉片壓力面流態(tài)云圖。從圖14可以看出，葉片進(jìn)口邊存在大量旋渦且從進(jìn)口邊輪轂到輪緣渦強(qiáng)度和速度逐步遞增，隨著對(duì)葉頂間隙倒直角或倒圓角處理時(shí)，葉片進(jìn)口邊沖刷磨損效應(yīng)隨著渦強(qiáng)度的降低而降低，其中葉片輪緣進(jìn)口邊流態(tài)改善尤為明顯，結(jié)合圖11發(fā)現(xiàn)渦的改善很好地降低了沖刷磨損效應(yīng)，這是由于倒直角設(shè)計(jì)降低了間隙位置流速進(jìn)而減小渦速度，而倒圓角設(shè)計(jì)使液態(tài)鉛鉍金屬平穩(wěn)地進(jìn)入葉頂間隙，改善了葉頂間隙流態(tài)從而降低了渦強(qiáng)度，故倒直角和倒圓角設(shè)計(jì)能夠有效降低葉片表面材料的沖刷磨損。

圖14 葉輪葉片壓力面渦分布云圖(a) 平面模型，(b) 倒直角方案，(c) 倒圓角方案Fig.14 Cloud map of vortex distribution on leaf wheel pressure surface(a) Plane, (b) Chamfering, (c) Rounding

2.5 不同葉頂間隙結(jié)構(gòu)下葉片表面壁面熵產(chǎn)率分析

液態(tài)鉛鉍金屬對(duì)葉輪表面的沖刷磨損效應(yīng)本質(zhì)上是流體對(duì)材料表面剪切力做功消耗機(jī)械能，即葉片表面沖刷磨損效應(yīng)越嚴(yán)重，則該區(qū)域的機(jī)械能損耗越大。學(xué)者利用壁面熵產(chǎn)率計(jì)算壁面區(qū)域的機(jī)械能損耗［20］，并對(duì)該方法進(jìn)行了驗(yàn)證［21-22］。壁面熵產(chǎn)率能夠有效表征液態(tài)鉛鉍金屬在材料表面機(jī)械能損失，當(dāng)葉輪內(nèi)溫度保持不變時(shí)，壁面熵產(chǎn)率表征了壁面剪切力、壁面流速等因素在內(nèi)的葉片表面沖刷磨損效應(yīng)。

圖15為標(biāo)準(zhǔn)流量工況下不同間隙葉輪葉片壓力面和吸力面壁面熵產(chǎn)率分布規(guī)律。可以看出，高壁面熵產(chǎn)率主要分布在葉片進(jìn)口邊靠近輪緣一側(cè)，且吸力面高壁面熵產(chǎn)率區(qū)域明顯大于壓力面高壁面熵產(chǎn)率區(qū)域。隨著對(duì)葉頂間隙進(jìn)行倒直角和倒圓角處理時(shí)，葉片表面的最大壁面熵產(chǎn)率從311 W·m-2·K-1下降到275 W·m-2·K-1和248 W·m-2·K-1，對(duì)比圖11發(fā)現(xiàn)，沖刷磨損效應(yīng)的降低使葉片表面的機(jī)械能隨之降低，這是因?yàn)楸砻骒禺a(chǎn)率受流速和流態(tài)影響，倒直角和倒圓角設(shè)計(jì)降低了流速，從而減少表面機(jī)械能損耗，達(dá)到改善沖刷磨損的效果。

圖15 葉輪葉片壁面熵產(chǎn)率云圖(a) 葉輪模型，(b) 平面方案， (c) 倒直角方案， (d) 倒圓角方案Fig.15 Cloud contour of entropy yield on impeller blade wall(a) Impeller, (b) Plane, (c) Chamfering, (d) Rounding

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)數(shù)值模擬方法計(jì)算了不同葉頂間隙結(jié)構(gòu)下軸流鉛鉍泵水力性能，預(yù)測(cè)了沖刷磨損效應(yīng)隨葉片間隙結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，分析了影響沖刷磨損效應(yīng)降低的原因，最后通過(guò)壁面熵產(chǎn)率闡明葉片表面機(jī)械能損耗與沖刷磨損關(guān)系，得到了以下結(jié)論：

1）標(biāo)準(zhǔn)流量工況下，倒直角設(shè)計(jì)模型的揚(yáng)程和效率較原方案分別降低了1.02%和0.64%，倒圓角設(shè)計(jì)方案揚(yáng)程降低了0.51%，而效率提升了0.51%，這是由于倒直角和倒圓角設(shè)計(jì)方案增大了葉頂間隙使得間隙泄漏增大進(jìn)而降低水力性能，而倒圓角使液態(tài)金屬平穩(wěn)過(guò)渡降低流態(tài)旋渦進(jìn)而提高水力效率。

2）高溫液態(tài)金屬對(duì)軸流鉛鉍泵葉輪沖刷磨損位置主要發(fā)生在葉片輪緣進(jìn)口邊附近。比較平面設(shè)計(jì)，倒直角和倒圓角設(shè)計(jì)都有效降低了液態(tài)鉛鉍金屬對(duì)葉片進(jìn)口邊的沖刷磨損效應(yīng)。

3）比較平面設(shè)計(jì)，倒直角和倒圓角設(shè)計(jì)通過(guò)降低流速和改善流態(tài)的途徑能夠影響高溫液態(tài)金屬對(duì)葉片表面沖刷磨損效應(yīng)，利用壁面熵產(chǎn)率驗(yàn)證了葉片表面的機(jī)械能損耗越低，則高溫液態(tài)金屬對(duì)材料表面的沖刷磨損效應(yīng)越小。

作者貢獻(xiàn)聲明常杰元負(fù)責(zé)方案的醞釀、起草、撰寫及分析；黎義斌負(fù)責(zé)方案的醞釀及文章內(nèi)容的審閱；馬文生負(fù)責(zé)相關(guān)試驗(yàn)指導(dǎo)；張人會(huì)負(fù)責(zé)方案的醞釀及文章內(nèi)容的審閱；劉欣負(fù)責(zé)文章內(nèi)容的審閱；牛騰負(fù)責(zé)文章內(nèi)容的審閱。