軸流泵流體激勵渦旋渦核提取技術研究

史緣緣，黃逸哲

（1．廣西大學機械工程學院，廣西 南寧 530004；2．華中科技大學機械學院，湖北 武漢 430074）

軸流泵內部的渦旋流動是引起振動激勵的一個重要原因，特別是由于渦旋的不穩定性，導致流場內產生不規則振動[1-2]。因此，研究渦核的提取技術有利于揭示出流體內部脈動激勵源的特性。當前通常用于描述渦流結構的有低壓法、正則化螺旋度法、Lambda2法、Q標準法、特征矢量法、流線法等[3-4]。上述方法各有所長，但都有局限性。到目前為止，還沒有發現一種數學方法能精確描述流體渦旋的結構。本文采用在后處理軟件中功能最為強大的Ensight軟件，運用算法中的特征值分析法和渦量分析法，從可視化的角度探討了軸流泵內渦旋中渦核提取的過程和結果。

1 軸流泵的流體動力模型與渦核提取方法

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作為研究對象[5]。其軸流泵參數為：葉輪直徑300 mm，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4.5 m，額定轉速1 450 r/min.運用CAD三維造型，對泵體通道部分進行實體造型，并通過布爾差操作，減去葉輪、導葉、軸的實體，得到最終的計算域實體。并利用幾何建模階段得到典型的邊界點、線、面進行網格劃分的控制及邊界層的處理，以滿足CFD仿真以及特殊后處理的苛刻要求。軸流泵整體CAD實體模型和整體網格劃分如圖1、圖2所示。

圖1 軸流泵整體CAD實體模型

圖2 整體網格圖

后處理軟件Ensight中有兩種渦核提取算法，但都建立在速度矢量場上，通過速度這一變量來檢測渦旋流動的中心。一種是通過特征值分析的方法，首先將特征值和特征矢量分類，然后借此來判斷渦核與離散的四面體單元的四個面是否相交，就可以定位出渦核的具體位置。另一種是基于渦量分析的方法，它利用渦量和速度矢量平行的事實來確定渦核與四面體單元的交點。

2 渦核的提取過程及結果分析

2.1渦量分析

流場中渦量分布結果如圖3所示。

圖3 在半流量工況下的葉片和導葉壁面的渦量云圖分布

圖3是半流量工況下流場的渦量分布云圖，可以看出大渦量區域主要集中在葉片的頂隙、尾緣處，說明軸流泵中的渦旋主要在葉片頂隙和尾緣處。

2.2渦區域分析

設定為設計工況流量，圖4、圖5、圖6、圖7分別是 0.25Qd、0.5Qd、Qd、1.2Qd流量下軸流泵體內的流線和渦區域等值面圖。從流線圖可看出，當在0.25Qd工況運行時，從泵進口就出現旋轉的流線，并且一直持續到泵出口，說明此時的泵體內的流動狀態極差，湍流運動劇烈，有較多的渦流產生；在0.5Qd工況時，泵進口接近葉輪進口處只有少量渦流，但是從葉輪進口向泵出口渦旋現象明顯；在Qd和1.2Qd工況，渦旋現象很弱，這說明在設計工況下流動平順，泵設計較好。對于1.2Qd工況，是由于流量的增大，沖角減小變成負值，流體射向葉片的背面（吸力面），會在正面（壓力面）上出現流動分離，進而導致渦流，但是由于流量增大時葉輪出口壓力下降，也減小了流動的逆壓梯度，使分離不易擴大，所以這時的流體流線還算平穩。從渦區域等值面來看，隨著流量從小到大，渦核區域整體從大變小，在設計工況下最小。

圖4 在下泵內流線和渦區域等值面圖

圖5 在0.5Qd下泵內流線和渦區域等值面圖

圖6 在Qd下泵內流線和渦區域等值面圖

圖7 在1.2Qd下泵內流線和渦區域等值面圖

2.3渦核提取結果的比較分析

下面針對Qd全流量、0.5Qd半流量這兩種工況，運用Ensight里面的特征值分析法和渦量分析法分別進行渦核提取，并通過對比確定渦核的分布位置。

首先采用特征值法，對整個流場范圍內渦核進行定位，找到漩渦分布的大概位置，結果如圖8、圖9所示。由圖8可以看到全流量情況下的渦核分布主要集中在葉片區域，而彎管附近、導葉附近和入口出口管處沒有渦出現；圖9半流量情況下渦核分布主要集中在葉片和導葉區域，而彎管和入口出口管處都沒有渦出現。

圖8 全流量情況下采用特征值分析方法得到的渦核分布情況

圖9 半流量情況下采用特征值分析方法得到的渦核分布情況

特征值分析方法葉片區域的具體渦核分布情況，結果如下圖10、圖11所示：

圖10全流量情況下采用特征值分析方法得到的葉片附近渦核分布情況

圖11 半流量情況下采用特征值分析方法得到的葉片附近渦核分布情況

在圖10中可以明顯的看到全流量情況下渦核主要分布在葉片和外殼之間的間隙處，這就是泄露渦，而分布在葉片尾部的渦稱之為尾跡渦，當然還有葉片前緣產生的馬蹄渦。而在圖11半流量情況下渦核的分布除了葉片頂隙的泄露渦、葉片前緣的馬蹄渦和葉片后緣的尾跡渦以外，還會在導葉區域內產生渦，這里不做深入討論。對導葉區域內的渦不做討論的一個主要原因是相對于葉片區域的渦核而言，導葉區域的渦核強度較弱，所以忽略掉導葉區域的渦核。

然后采用渦量分析法，同樣是對全流道內兩種流量情況下的渦旋分布區域進行定位，分析的結果如下圖12、圖13所示。

圖12 全流量情況下采用渦量分析方法得到的渦核分布情況

圖13 半流量情況下采用渦量分析方法得到的渦核分布情況

從圖12可以看到全流量情況下的主要的渦核區域還是分布在葉片附近，而且以葉片和外殼的間隙處最多。雖然彎管處也得到了渦核，但對比前面特征值分析的結果，排除了這一區域。在圖13半流量情況下的主要渦核區域除了葉片區域外，還在導葉和導葉后出口段，這一點和前面采用特征值方法所得到的結果一致。

下面是渦量分析方法得到的葉片導葉區域渦核分布情況：

從圖14中不難發現，對于全流量情況，該種方法提取結果與特征值分析方法提取結果的一些異同點。首先都在葉片前緣區域有個很強的渦區，這個渦核區域就是前面提到的馬蹄渦區域，當然由于該區域渦旋很劇烈，會在其后產生二次渦。其次這兩種方法都顯示了葉片尾緣產生的尾跡渦，而唯一不同的是前一種方法所得到的泄露渦只有單邊分布，而這一種方法所得到的泄露渦卻是雙邊的，也就是在葉輪頂隙處會產生兩列渦區域，而這兩列渦區域上渦核強度變化也不是遞增或遞減，而是強度大小交替變化。在圖15半流量情況下，采用兩種方法的結果基本一致，需要指出的是，所有渦核點強度中葉片區域最大，而導葉區域的渦核點強度極弱，所以在前面沒有對導葉區域和末端出口處的渦核分布做進一步的研究。

圖14 全流量情況下采用渦量分析方法得到的葉片附近渦核分布情況

圖15 半流量情況下采用渦量分析方法得到的葉片附近渦核分布情況

至于圖10、圖11、圖14和圖15中全流量和半流量情況下渦核分布位置的不同，可以認為是由于半流量情況下，流道內的流動情況很雜亂。此時采用Ensight中的渦核提取方法，會出現渦核提取結果不全的問題，這樣就會誤判半流量情況下的渦反而減少了，而實際的情況卻并不是這樣，在半流量情況下的渦動強度應該更大，而且分布范圍應該更廣。之所以出現上述情況，是由于渦核提取算法的缺陷所致。

3 結束語

通過本文的研究，可以的得到以下兩點結論：

（1）通過對渦量和渦區域的分析，給出了不同工況下渦核區域隨流量變化的區域大小及位置分布的變化趨勢。

（2）應用Ensight中的特征值分析法和渦量分析法對全流量、半流量兩種工況下的渦核進行提取分析，比較了兩種渦核提取算法的結果異同點，并從定性的角度得出了泵內渦的主要類型是泄漏渦和尾跡渦。

本文的研究結果對進一步從可視化角度探討旋轉類流體機械內部渦旋中的渦核提取提供參考。

參考文獻：

[1]張楚華.流體機械內流理論與計算[M].北京：機械工業出版社，2016.

[2]張彥南，王 旭.CFD的軸流泵內部流場數值模擬與試驗分析[J].工業控制計計算機.2017（1）：87-88.

[3]王淑生，王 超.基于CFD軸流泵葉輪在流場中的有限元分析[J].機械工程與自動化，2016（12）：82-86.

[4]謝榮盛.軸流泵小流量工況水力特性研究[D].揚州：揚州大學，2016.

[5]段銘鈺，吳承亮.軸流泵全流道三維定常流場特性分析研究[J].裝備制造技術，2016（6）：28-31.