軸流泵全流道三維定常流場特性分析研究

　段銘鈺，吳承亮，黃逸哲

（廣西大學機械工程學院，廣西南寧530000）

軸流泵全流道三維定常流場特性分析研究

段銘鈺，吳承亮，黃逸哲

（廣西大學機械工程學院，廣西南寧530000）

建立了軸流泵三維幾何模型，采用分塊結構網格劃分技術進行了結構化的網格劃分，給出了邊界條件的設置及湍流模型的選取原則。在此基礎上進行了軸流泵內部流場的數值模擬仿真計算，得到了不同工況下軸流泵葉片、導葉及交界面的壓力云圖和速度矢量圖，分析了軸流泵壓力和速度分布特性，其研究結果可為軸流泵的設計和性能改進提供參考。

軸流泵；非設計工況；CFD方法；流場分析

軸流泵具有流量大，揚程低，結構簡單，使用方便的特點。在船舶、兩棲車輛、噴水推進器等領域應用廣泛，其流場特性不僅影響其工作效率，也關系到其使用壽命和運轉平穩性。國內外學者對軸流泵流場特性進行了研究，張德勝等對不同湍流模型在軸流泵的應用中對軸流泵的性能預測提供了可靠的依據；李忠等通過對軸流泵內部流場數值模擬及實驗對提高泵效和節能提供了理論依據；施衛東等對各種型號的軸流泵水力模型進行了一系列的設計和研究，并得到了其相關的結果和規律［1-5］。考慮到船舶領域的一些軸流泵在很多情況下工作在非設計工況，工況的改變是否會對軸流泵流場特性產生影響，其變化規律如何有待進一步研究。

本文以軸流泵為研究對象，采用CFD方法，并結合流體動力學、渦運動學等理論，對軸流泵進行三維幾何建模、CFD網格劃分、計算求解，在此基礎上對不同工況的流場和規律進行分析。

1　軸流泵全流道三維幾何建模和網格劃分

1.1軸流泵模型有關參數及計算域實體造型

針對船舶領域對軸流泵的應用需求，本文選用某型號的軸流泵進行全流道三維流動數值模擬研究。其軸流泵參數為：葉輪直徑300mm，葉片數3個，單機設計流量250 L/s，導葉葉片數7個，葉輪室壁面直徑301 mm，葉輪的設計揚程4.5m，額定轉速1 450 r/min.

根據葉片參數，采用升力法設計出葉輪葉片，選用成熟的翼型作為葉片從輪轂到輪緣徑向方向截面的翼型形狀。再分別設計出6個截面，通過6個截面上得翼型形狀來確定軸流葉片的三維形狀。導葉造型采用流線法設計，原理同葉輪設計。泵體除了葉輪、導葉，還有進口彎管、泵體葉輪外壁以及出口管部分。由于泵體葉輪外壁、出口管部分都是軸對稱形式，可以通過給定軸截面，然后圍繞軸線掃描360°的方法得到實體。最終的實體模型效果如圖1所示。

圖1　軸流泵整體CAD實體模型

1.2軸流泵的網格劃分

在ICEM CFD中根據模型建立相應的拓撲結構，然后對應相應的點、線、面，建立對應的關系，映射后可以得到相應的引水管、葉片流道、導葉、導葉后流道、導管流場網格。內部表面網格和整體網格如圖2、3所示。

圖2　內部表面網格

圖3　整體網格圖

2　軸流泵邊界條件的設置

本研究采用速度入口邊界條件，即在泵的入口采用均勻的速度進口，軸向速度大小由流量和進口面積決定，如設計工況下的進口速度：

式中，Qd為設計工況流量，S為泵模型入口面積。流量與速度的對應關系如表1所列。

表1　不同工況下流量與速度的關系

3　軸流泵流場特性的仿真結果分析

對采用SST 2階模型得出的泵內流場進行分析。

3.1葉片正面背面壓力分布

泵運行時，流體經過旋轉的葉輪室獲得能量，葉片的水力性能直接影響到整個泵的水力性能。

本文中，選取1.0Qd、1.2Qd兩個具有代表性的工況來分析葉片的壓力分布，現列流量為Qd、1.2Qd時其正面靜壓云圖如圖4、圖5所示。

圖4　 Qd正面靜壓云圖

圖5　 1.2Qd正面靜壓云圖

各種工況下的葉片正面的靜壓分布非常相似，軸向方向來看，從葉片的進口邊到出口邊，壓力逐漸變大；徑向方向來看，從葉片的輪轂到輪緣，壓力逐漸變大。在輪緣處，出現有高低壓相間的分布情況，這也是葉尖泄露渦的一種表現形式。

總體上，葉片從進口邊到出口邊，壓力逐漸增加。在葉片靠近輪緣處出現了一個明顯的低壓區，從四種工況來看，最低壓力區的面積和位置隨著流量不同而有變化。流量從小到大變化時，最低壓力區的位置從靠近進口位置不斷向上推進，同時低壓區的面積也隨之增加，但最低壓力的數值卻不斷增大。這個情況在葉片背面的總壓分布圖中也同樣存在。在低壓區最容易發生汽蝕，大量的實驗也驗證了這點。在1.2Qd工況時，葉片的進口處出現了一個狹長的高壓區，這是因為高速流體沖擊導致的。總體上看，葉片的正面壓力大于背面壓力。

3.2葉片正面背面的速度分析

圖6、圖7、圖8分別為0.5Qd，Qd，1.2Qd工況下的葉片正面的速度分布情況。

圖6　 0.5Qd正面相對速度矢量圖

圖7　 Qd正面相對速度矢量圖

圖8　 1.2Qd正面相對速度矢量圖

從上述三種工況來看，總體上，葉片正面、背面相對速度從輪轂到輪緣逐漸變大。在設計工況流量下，葉片正背面的相對速度分布比較均勻，無回流現象。在小流量工況下，葉片正背面速度分布不太均勻，特別是在靠近出口邊輪轂位置，出現了少量回流。這是因為流量減小，葉輪內流體的離心力比半徑方向的壓力梯度大，流體在葉輪出口側向外緣附近徑向移動，使得葉片出口側外緣的流速快，輪轂側慢，結果就在出口輪轂側形成回流。在大流量工況（1.2Qd）下，大部分區域速度分布均勻，只在葉片背面出口邊靠近輪轂處不太均勻。

3.3葉輪與導葉的交界面的壓力分布

圖9至圖10為Qd，1.2Qd工況下葉輪與導葉之間的交界面壓力分布。

圖9　 Qd總壓云圖

圖10　 1.2Qd總壓云圖

從上述兩種工況來看，在葉片和導葉的交界面處成對出現了7個高低壓相間的區域，而導葉個數是7，可以看出導葉進口高壓區在這個界面上的影響。同時，也可以看出，隨著流量的增加，高壓區的面積也逐漸變大。

3.4導葉正面背面壓力分布

如圖11、圖12是0.5Qd工況下，導葉的正背面靜壓云圖，表2是0.5Qd工況下導葉正背面所受壓力對應數值，可以看出在導葉的前緣處正背面分別有一細長的低壓和高壓區，說明流體從葉輪流進導葉體時存在沖擊現象。另外，導葉正背面的壓力沿軸向逐漸增大。

圖11　導葉正面靜壓云圖

圖12　導葉背面靜壓云圖

表2　工況下導葉正背面所受壓力

3.5軸向截面的總壓分布

圖13是軸流泵總壓云圖，可以明顯看出流體從進口到出口壓力增大，在葉片處，變化最明顯，這正體現出了軸流泵葉輪對流體的做功作用。

圖13　軸流泵總壓云圖

4　結束語

本文以軸流泵為研究對象，通過建立其仿真模型，分析了軸流泵4種具有代表性的工況的壓力和速度分布特性，揭示了其變化規律，具體如下：

（1）研究了四種工況下的葉片壓力分布規律、葉尖泄漏渦，相對速度變化及回流情況，隨著流量的增大，正面壓力和背面壓力的壓差越大。

（2）分析了不同工況下導葉的壓力和速度分布情況、工況的變化對導葉進口高壓區在葉片和導葉的交界面上的影響，發現了流體從葉輪流進導葉時存在沖擊現象且壓力沿軸向增大的規律。導葉可將流體的動能轉化為壓力能，從而減小泵的水力損失，提高效率。

（3）軸向總壓分析驗證了軸流泵葉輪對流體的做功作用。

［1］張德勝，施衛東，張華，等.不同湍流模型在軸流泵性能預測中的應用［J］.農業工程學報，2012，28（1）：66-71.

［2］何希杰.軸流泵的現狀與發展［J］.水泵技術，1998，（6）：29-33.

［3］施衛東.ZM931高比轉速軸流泵水力模型的設計［J］.農業機械學報，1998，29（2）：48-52.

［4］施衛東.ZMB-750型軸流泵水力模型的研究［J］.農業機械學報，1999，30（4）：17-22.

［5］張光蓉.我國軸流泵的發展與開發研究［J］.東方電氣評論，2004，18（l）：4-9.

Research of the 3-D Steady Flow Field of the Axial Flow Pum p

DUAN Ming-yu，WU Cheng-liang，HUANG Yi-zhe
（College ofMechanical Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China）

For the axial flow pump，the three dimensional geometric model is developed，it uses a block structured mesh technology for structured grid，given set of boundary conditions，and turbulencemodel selection principles. Based on the numerical simulation of the internal flow field of axial flow pump simulation，guide vane of axialflow pumps，axial flow pumps and their interfaces，their pressure and velocity vector are obtained under different operating conditions.By analyzing the pressure and velocity distribution characteristics of axial-flow pump，the research results are available for axial flow pump design and performance improvements.

axial flow pump；non design condition；CFDmethod；flow field analysis

TH312

A

1672-545X（2016）06-0028-04

2016-03-14

段銘鈺（1992-），男，河南洛陽人，碩士研究生，研究方向：流體測控技術；吳承亮（1991-），男，廣西玉林人，碩士研究生，研究方向：流體測控技術；黃逸哲（1990-），男，湖北武漢人，碩士研究生，研究方向：機器人機構學。