基于黑箱理論的潛水泵導流器葉片數優化研究

魏清順 孫西歡

摘要：為研究導流器葉片數對潛水泵性能的影響規律，基于黑箱理論，運用Fluent軟件對同一葉輪與不同葉片數導流器組合后的潛水泵進行性能測試與流場仿真計算。通過分析導流器出口靜壓均值、揚程和效率，找出其內部流場的分布規律，同時在水泵開式試驗臺上實測。結果表明：隨著導流器葉片數的增加，潛水泵的揚程和效率都呈遞增趨勢；對于原型潛水泵，水力性能較好的導流器葉片數閾值區間為；仿真值與實測值吻合較好。

關鍵詞：潛水泵；黑箱理論；仿真；導流器；葉片數

中圖分類號：TV223

文獻標志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.07.031

井用潛水泵作為抽取地下水的主要通用設備，在農業灌溉中被廣泛使用，是灌溉系統首部樞紐的重要組成部分，其性能的好壞直接影響農業灌溉T程的T作效率及其穩定性。目前農業灌溉中使用的潛水泵機組效率普遍不高，水泵性能的有效提升成為亟需解決的現實問題。

潛水泵中最主要的兩大過流部件是葉輪和導流器。導流器作為能量轉換裝置，其結構設計不但會影響水泵的性能，同時還決定水泵的結構型式。液體在水泵內部的流動是通過其外部特性加以反映的，而液體的運動狀態又與過流部件的結構型式和幾何參數密切相關。潛水泵水力損失的40%～50%是發生在導流器內部的 ，可見導流器的合理設計對潛水泵性能的提升有重要影響。

鑒于水泵內部流場分布的復雜性，且受測試技術手段和成本的限制，利用計算機軟件模擬流場并對流場實施優化這一方法被廣泛采用。目前，研究人員主要針對離心泵葉輪和蝸殼展開流場計算和特性研究，對于使用導流器的潛水泵內部流動研究較少，對導流器和葉輪的適應性研究則更少。

筆者基于黑箱理論，運用Fluent軟件對同一葉輪與不同葉片數導流器組合后的潛水泵進行性能測試與流場仿真計算。在給定導流器進口條件的基礎上，通過分析導流器出口揚程、效率和靜壓均值，找出其內部流場的分布規律，實現對葉片數這一結構要素的準確了解，為改進和開發高性能的潛水泵提供依據。

1黑箱理論

系統控制論中，將內部狀況無法從外部進行直接觀測的未知區域或系統統稱為“黑箱”。黑箱理論的核心思想是自然界中的事物均具有廣泛的相互聯系，并非絕對獨立。黑箱系統內部的結構和參數變化，可通過分析它的輸入和輸出變量，推測其內部復雜系統的規律，進而實現對黑箱的掌握與控制。基于黑箱理論的“黑箱研究法”是探索未知事物的重要手段，尤其對于復雜系統或無法清晰分解的系統研究，該方法提供了一種有效的技術手段。

潛水泵的性能和應用范圍受到其內部流場流動狀況的制約，導流器作為潛水泵主要的結構部件直接影響其流場分布，導流器流場特性成為影響潛水泵性能的一個決定性因素。流場分布具有復雜性，且無法進行直接觀測，如何判定導流器內部結構參數的動態變化是一個典型的黑箱問題。

基于黑箱理論，在給定導流器進口變量的基礎上，通過Fluent軟件模擬計算，找出導流器內部三維流場的分布規律，并分析導流器出口變量與進口變量的關系，以此實現對結構要素影響潛水泵性能的準確把控。

2導流器內流場的仿真

2.1仿真方案及模型構建

2.1.1仿真方案

以250QJ125型灌溉用深井潛水泵為研究對象，其比轉速ns為244，流量Q為125m^3/h ，單級揚程H為16m。在葉輪不變的情況下，選取不同葉片數的導流器，分析其對潛水泵性能的影響。由無滑移理論可知，導流器性能的優劣與其葉片數量關系緊密，葉片越多，其性能越好，但設置過多的葉片會阻礙流體在導流器內的流動；相反，葉片較少，則會降低導流器的整體性能，影響其作用的發揮。因此，確定導流器葉片數要根據其他因素進行綜合考慮。原型潛水泵中導流器葉片數為7，為研究葉片數對潛水泵性能的影響，以葉片數作為研究變量（分別取5、6、7、8、9、10）進行分析，其他主要結構參數見表1。

2.1.2模型構建

應用AutoCAD軟件建立包含葉輪和導流器的潛水泵全流道幾何模型，采用非均勻有理B樣條（ Non-Uniform Rational B -Splines，簡稱NURBS）方法控制葉輪、導流器和其他水力部件實體曲面，再結合三維操作的拉伸、旋轉、鏡像等工具創建三維實體造型。圖1為潛水泵計算模型。

2.2仿真方法

2. 2.1網格劃分及參數設置

針對潛水泵計算模型，采用TrueGrid軟件生成全流道計算網格。為提高計算精度和加速收斂，對葉輪和導流器模型的壁面進行細化處理。與此同時，利用TrueGrid的診斷工具對劃分的網格模型進行綜合評價，最終網格扭曲率均低于0.9。

仿真計算時以水為介質，采用時均模擬法，選取k-e湍流模型、分離隱式求解器和流場壓力與速度耦合的SIMPLEC算法。具體參數如下：湍動能k為0.5、耗散率ε為0.3、壓力松弛因子為0.3、速度松弛因子為0.7。對于內部動靜部件的數據交互選用多參考系模型。

2.2.2進口變量設定

依據黑箱理論，在分析導流器葉片數對潛水泵性能影響時，需給定導流器進口變量。導流器的進口變量是由前端的葉輪出流所決定的，而葉輪出流紊亂且無法直接測量。基于此，可預先給定潛水泵葉輪的進口變量，通過Fluent軟件計算包含葉輪和導流器的潛水泵全流道三維模型，將模擬計算出的葉輪出流作為導流器的進口變量，進一步對導流器內部三維流場進行模擬計算。

潛水泵葉輪的進口采用無旋流，其進口變量為垂直于進口斷面的軸向速度。設計工況下，潛水泵的進口流量為定值，則該速度大小為已知且恒定。

3結果分析

3.1導流器出口斷面靜壓均值變化

圖2為不同葉片數導流器出口斷面的靜壓均值，由圖2可知，不同葉片數的導流器對應的出口斷面靜壓亦不同，即導流器轉換液流能量的效果與葉片數有關聯。原型潛水泵導流器具有7個葉片，出口處的靜壓均值為163kPa，隨著葉片數的增加，出口斷面靜壓均值有所增大，9個葉片時的靜壓均值達到最大，為170kPa。如繼續增加葉片數量，其斷面靜壓均值不但不會增加，反而開始有所下降，說明導流器葉片不是越多越好。與原型7個葉片相比，若減少葉片數，出口處靜壓均值呈現下降趨勢，當葉片數為5時，斷面靜壓均值最小，表明這種情況導流器轉換能力最差。

圖3為導流器出口斷面靜壓分布云圖，由圖3可知，出口斷面靜壓隨著導流器葉片數的增加而不斷增大。其原因是葉片少，導流器對液流的約束就小，能量轉化的效果也就較差，最終表現為出口斷面靜壓值小；當葉片數不斷增加時，導流器對液流的約束就會逐漸加強，限制了液流在流道內的運動，在整個過程中流態穩定，不容易產生脫流和旋渦，能量損失少，對水泵性能的提升比較有利。一定范圍內，這種狀態隨葉片的增多而表現得越加明顯。無限制地增加導流器葉片數，將使得流道狹窄、過流斷面縮小，一定程度上加大了液流流速，流速的增大必然引起沿程水力損失和局部沖擊損失的增加，這樣勢必造成導流器轉化效果的大幅度下降，同樣限制了潛水泵性能的發揮。

3.2潛水泵外部特性參數分析

原型潛水泵中，采用的導流器葉片數為7，在流量為125m^3/h 的設計工況下，揚程為16m，效率值為81%。分別采用5、6、8、9和10個導流器葉片后，在對應流量125m^3/h設計工況下的揚程和效率都發生了明顯的變化。其中：葉片數超過7的潛水泵揚程和效率都有不同程度的提高，而葉片數比7少的潛水泵揚程和效率有所下降。6個方案中，葉片數為9的性能最佳，其水泵效率達到了84.3%，見表2。

從表2可以看出，導流器葉片數對潛水泵性能有顯著影響。葉片數為5時，因葉片少而流道斷面面積大，由葉輪出流的高環量液體直接進入導流器，旋轉速度較大，導流器不能很好地發揮降低液流速度的作用。在原設計人口流量125m^3/h 工況下揚程為13.94 m，較原裝7個葉片的導流器降低2.92m；效率為71.0%，較原裝導流器降低10.0個百分點，水泵效率偏低。同樣，葉片數為6時，雖比5個葉片數的性能有所提升，但與原裝7個葉片的導流器相比，性能也有不同程度的下降。隨著葉片數增加到8、9和10后，水泵性能較原裝有了一定的提高。其中，性能提高幅度最大的是葉片數為9的潛水泵，在流量125m^3/h 工況下揚程為17.64m，較原裝導流器增加了0.78m；效率為84.3%，較原裝導流器提高了3.3個百分點。

增加導流器葉片數后，整個流道被分割成多個小的流動通道，液流分別沿著這些小通道獨立流動，導流器葉片減小速度環量的能力進一步加強，液流動能轉換為壓力能的效果也逐漸顯現。由于液流在各自流道內作約束流動，整個流動過程不容易產生脫流和旋渦，因此能量損失較少，最終通過外部特性反映出的結果就是水泵揚程和效率提高。

圖4為導流器不同葉片數下的水泵效率預測曲線。導流器葉片少，使其不能很好地約束和控制葉輪出流，液流減速效果差，水力損失大，最終表現出效率偏低。當葉片數增加時，導流器對流體流動的約束就會逐漸加強，減少了能量的損失，提高了潛水泵的效率。圖4中，效率預測曲線上各點斜率也不同，說明潛水泵效率的提高趨勢不是葉片越多越明顯。當效率提高到一定程度時，繼續增加葉片數，不但不會進一步提高水泵效率，反而使其有所下降。

綜上分析，對于原型潛水泵，水力性能較好的導流器葉片數閾值區間為

3.3仿真結果與試驗結果對比分析

為了對仿真結果進行驗證，在水泵開式試驗臺上測試不同葉片數導流器與原裝葉輪裝配后的潛水泵性能。當葉片數變化時，潛水泵實測與仿真的性能對比曲線見圖5。

從圖5可以看出，額定工況下，水泵揚程和效率曲線的仿真結果與實測結果吻合度較高。不同葉片數潛水泵的揚程曲線和效率曲線走勢相同，隨著流量的增大，揚程和效率發生不同的變化。所有工況下，仿真結果與實測結果的相對誤差最大為8.2%，最小為2.3%，均值為5.11%，誤差在允許范圍內。

4結論

（1）利用黑箱研究法，通過Fluent仿真來分析導流器內部復雜流場變化規律是可行的。

（2）隨著導流器葉片數的增加，潛水泵的揚程和效率都呈遞增趨勢。對于原型潛水泵，水力性能較好的導流器葉片數閾值區間為。

（3）葉片數的確定需結合生產工藝，不能僅僅為了提高水泵水力效率而不考慮鑄造時葉片造型的難易程度和成本，隨意增加導流器葉片數。導流器葉片數的選擇需結合水泵性能和生產成本，使其達到綜合效益最高。