葉片進口修圓對斜流泵性能影響的CFD分析

朱文瑞，吳賢芳，黃從兵，劉厚林，呂 云

(1.江蘇航天水力設備有限公司，江蘇 揚州 225600；2. 江蘇大學能源與動力工程學院，江蘇 鎮江 212013；3. 江蘇大學流體機械工程技術研究中心，江蘇 鎮江 212013)

斜流泵是一種高比轉速的葉片泵，其性能和結構介于離心泵和軸流泵之間，兼具2者的優點，廣泛應用于排洪、排污、農田排灌、核電站、制冷等領域。一直以來斜流泵的性能研究都是水力機械行業的熱點問題。

Miyabe[1]為了分析斜流泵馬鞍形曲線的成因，采用PIV技術對斜流泵內部的流場進行了試驗研究，發現了斜流泵內部流動失速的發生和發展過程,初步對斜流泵性能曲線駝峰的形成原因進行了分析；J.Fernandez[2]等對一個包含5個葉輪，9 個導葉的斜流泵進行了數值模擬，對該斜流泵內的湍流流動和葉輪通道內的流動狀況進行預測。錢涵欣[3]等人研究了斜流泵輪緣間隙大小的不同對性能的影響，發現隨著間隙的增大，引起效率下降，由于葉片的有效翼展減小，揚程和功率也會有所下降；何希杰[4]研究了混流泵葉片安放角對性能的影響，并提出了相應的統計公式。

當前國內對斜流泵的研究多集中在葉輪、導葉的設計上，而葉輪葉片形狀對泵性能有明顯影響，由于斜流泵葉輪葉片頂部存在間隙，因此間隙泄漏流動和泄漏渦的產生不可避免[5]。楊軍虎[6]通過3種方案對軸流泵葉片外緣進行修圓，分析了軸流泵葉片外緣修圓對泵性能的影響，而斜流泵進口修圓對性能影響的研究較少有人涉及。本文設置了有進口修圓和無進口修圓2種葉輪模型，并進行CFD數值模擬，分析2種模型的計算結果，為斜流泵的性能優化提供依據。

1 研究對象

1.1 研究對象及計算區域

模型泵的主要性能測試按GB3216-2005《回轉動力泵水力性能驗收試驗1級和2級》要求進行試驗，最優工況的性能測試結果為：Qd為325 L/s、比轉數ns為425、Hd為13 m、轉速n為1 450 r/min；主要結構參數為：葉輪直徑D2為320 mm、葉輪葉片數為4、導葉葉片數為6，轉輪室單側間隙為0.4 mm。基于CREO 2.0軟件對模型泵的三維流道進行造型、裝配，并對進出口段進行延長。計算區域包括進口延長段、吸入段、葉輪、導葉和出口延長段5部分，計算區域見圖1，其中進口延長段和出口延長段長度分別為進出口管徑的4倍。

圖1 計算區域Fig.1 CFD model

1.2 葉片有進口修圓與無修圓模型設計

在為了分析葉輪進口修圓對斜流泵性能的影響，對原模型葉片工作面和背面進口同時進行修圓，其他參數不變；其中修圓是通過倒圓角(半徑18 mm)的方式實現。有修圓的葉輪模型稱為方案1，無修圓的葉輪模型稱為方案2。2種方案的葉輪模型見圖2(a)、(b)。

圖2 2種方案葉輪模型的三維造型Fig.2 Three-dimensional modeling of two types of impeller models

1.3 網格劃分

采用ICEM對模型泵進行全流道非結構四面體網格劃分。由于網格密度及網格質量會對計算結果造成影響，因此以方案1為例，并以預測揚程差異小于1%作為評判標準對網格劃分進行相關性檢驗，并保證各計算流體域網格質量均大于0.30。網格相關性檢查數據見表1。

綜合考慮計算準確性和計算成本，網格劃分最終方案見表2、表3。

表1 網格相關性檢查數據Tab.1 Grid independence check

表2 方案1網格劃分方案Tab.2 Plan 1 grid scheme

表3 方案2網格劃分方案Tab.3 Plan 2 grid scheme

2 數值模擬

2.1 湍流模型

選取RNGk-ε模型進行計算。RNGk-ε模型是k-ε模型的修正方程，在一定程度上考慮了湍流的渦旋特性以及各向異性效應，改善了復雜湍流的預報精度。湍流耗散輸運方程為：

(1)

Cε1RNG=1.42-fη

(2)

2.2 邊界條件

斜流泵葉輪、導葉、吸入段等各零部件的壁面都設為固壁條件，壁面邊界滿足無滑移邊界條件，壁面設置粗糙度為0.05 mm。

葉輪設置為旋轉區域，轉速為1 450 r/min，其余區域設置為靜止區域。動靜區的交界面采用凍結轉子交界面(Fronzen rotor interface)。

進口邊界條件為壓力進口，設置為1個大氣壓；出口邊界條件為質量流量出口，設置為318.5 kg/s。

網格的迭代步數設置為1 000 步，計算的收斂精度設置為10-5。

2.3 能量性能預測方法

根據數值模擬結果，揚程和效率的預測方法如下。

揚程：

H=(Pout-Pin)/(ρg)

式中：Pout為泵出口總壓；Pin為泵進口總壓。

效率：

η=ρgQH/(Mω)

式中：M為葉輪扭矩；ω為葉輪角速度。

3 結果及分析

對2種葉輪模型數值模擬結果進行對比分析，包括外特性、葉輪工作面、背面的靜壓以及葉輪葉片處的渦核分析。

3.1 外特性對比分析

對2種方案在設計工況下的數值計算結果進行對比分析。由表4可知，方案1的揚程計算結果為12.99 m，與揚程實驗值偏差0.077%；效率計算結果為81.1%，與效率實驗值偏差為5.4%。這說明本文的數值模擬方法是基本可靠的。

進一步分析，方案2的揚程計算結果為13.20 m，效率計算結果為80.3%；與方案1對比可以發現，進口修圓后，泵揚程降低了0.21 m，約為設計揚程的1.6%；效率下降了0.8%。從2種模型的結果對比可以看出，葉片進口修圓使斜流泵的揚程和效率均有所下降。

表4 2種方案外特性計算結果對比Tab.4 Results contrast of two schemes characteristic calculation

3.2 內流場對比分析

圖3給出了方案1和方案2的葉輪工作面靜壓等值線云圖。從圖3中可以看出方案1的葉輪工作面進口修圓處靜壓變化梯度大于方案2，壓力提升快，且最低壓力點在切點附近，方案2的最低壓力點在尖端附近，靜壓梯度變化較小，方案1的低壓區面積明顯小于方案2，這表示方案2較方案1在葉片表面更易發生汽蝕，因此對葉片進口修圓可以改善斜流泵的汽蝕性能。

圖3 2種方案的葉輪工作面靜壓云圖Fig.3 Two schemes of impeller working face static pressure cloud

圖4給出了方案1和方案2的葉輪速度流線圖。圖4(a)中速度流線分布均勻、有規律，而圖4(b)圖中的速度流線比較雜亂，且發生了脫流。將圖4(a)與圖4(b)進行對比，可以看出方案1葉片表面的流動更加穩定、流暢。

圖4 2種方案的葉輪速度流線圖Fig.4 Two schemes of impeller speed streamline

圖5是2方案基于Q-C準則做出的渦核提取圖。從圖5中可以看出，方案1葉片修圓處出現了強度較大的渦核，分布在葉片與頂隙之間的縫隙中，這說明方案1的頂隙區域內發生了強度較大、脈動峰值較高的渦旋運動。方案2在葉片進口邊可以提取出渦核，但葉片與頂隙之間沒有明顯渦核。

圖5 2種方案的葉輪進口處渦核提取圖Fig.5 Two schemes of the impeller inlet at the vortex core extraction diagram

對比方案1與方案2渦核分布可以看出，在葉片進口修圓處，葉片進口處的葉頂間隙內出現了強烈的漩渦運動，這極易誘發葉頂泄露渦空化；且與圖3對比可知，葉頂泄露渦空化的強度要遠大于葉片表面的局部空化，這極有可能是方案1內部流動優于方案2，但揚程效率卻更低的根本原因。

4 結 語

以一臺比轉速為425的斜流泵為研究對象，按葉片進口工作面與背面修圓與不修圓分為方案1與方案2，基于CFX對2方案進行數值模擬，并進行外特性與內部流場對比分析，結果表明：

(1)葉片工作面與背面進口修圓使得斜流泵的揚程、效率均有所下降。

(2)葉片工作面與背面進口同時修圓與不修圓相比，葉片進口附近的壓力和速度分布得到了一定的改善。

(3)葉片進口修圓使葉頂與外殼間隙處發生了強烈漩渦運動，極易誘發葉頂泄露渦空化，極易造成揚程、效率降低。

本文研究的是葉片工作面及背面均進行修圓與均不修圓2種模型的性能對比，未來考慮將工作面與背面進行單獨修圓，再作對比，為斜流泵的性能優化提供依據。

□

[1] Miyabe M, Maeda H, Umeki I, et al. Unstable head-flow characteristic generation mechanism of a low specific speed mixed flow pump[J]. J. of Thermal Science, 2006,1(2):115-120.

[2] J Fernandez, E Blanco, C Santolaria, et al. A numerical analysis of a mixed flow pump[C]∥ Proceedings of the ASIE 2002 joint U.S-European Fluids Engineering Division Conference. 2002:791-798.

[3] 錢涵欣，何成連，劉麗艷.固定導葉安放角及輪緣間隙對混流泵性能影響的研究[J].水力發電，1997,(4)：36-38.

[4] 何希杰，勞學蘇，李平雙.混流泵葉片角對性能的影響[J].水泵技術，2005,(6)：15-16.

[5] 賈希誠，王正明，蔡睿賢.葉輪機械中葉頂間隙形態對氣動性能影響的數值研究[J].工程熱物理學報，2001，22(4)：431-434.

[6] 楊軍虎，馬靜先，張人會，等.軸流泵葉片外緣修圓對泵性能的影響[J]. 蘭州理工大學學報，2007,(5)：60-63.