基于渦動(dòng)力學(xué)的離心泵內(nèi)部流動(dòng)診斷

王維軍，王 洋 ，黎義斌，陸 榮，劉 敏

(1. 江蘇大學(xué)鎮(zhèn)江流體工程裝備技術(shù)研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212009；2.江蘇大學(xué)流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 3.蘭州理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，蘭州 730010)

離心泵是工業(yè)上應(yīng)用最為廣泛的動(dòng)力機(jī)械之一，特別是電力系統(tǒng)、冶金機(jī)械、鋼鐵行業(yè)、建筑行業(yè)、有色、石油化工領(lǐng)域、水處置等領(lǐng)域。離心泵中流體是有渦運(yùn)動(dòng)，流動(dòng)形態(tài)非常復(fù)雜，是非定常的和非線性的，泵進(jìn)、出口管路中存在明顯的有渦流動(dòng)存在脫流、軸向渦旋、旋轉(zhuǎn)失速等二次流[1,2]，直接關(guān)系著泵運(yùn)行過(guò)程中效率及振動(dòng)噪聲的高低。近年來(lái)，隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)和計(jì)算機(jī)軟、硬件的快速發(fā)展，為數(shù)值求解研究離心泵提供了有效的手段。但僅靠單一地提取流場(chǎng)中壓力、速度云圖已經(jīng)不能滿足流場(chǎng)分析，很難定量精確地捕捉到流場(chǎng)中物理量的變化，只能定性描述。

離心泵中渦旋運(yùn)動(dòng)和分離流動(dòng)是常見到的流動(dòng)現(xiàn)象。空氣動(dòng)力學(xué)家柯齊曼曾說(shuō)過(guò)：“渦是流體運(yùn)動(dòng)的肌腱”，北航陸士嘉教授指明“流體的本質(zhì)就是渦”[3]。渦動(dòng)力學(xué)[3]是計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的重要分支，目前發(fā)展已經(jīng)較為成熟。國(guó)內(nèi)、外研究學(xué)者采用渦動(dòng)力學(xué)診斷各種三維高度復(fù)雜的湍流流動(dòng)取得了很大的進(jìn)步[5-8]。在流體力學(xué)中，大量的特征都是有精確定義的，然而渦旋至今在數(shù)學(xué)上沒有準(zhǔn)確的定義，沒有一種數(shù)學(xué)方法能精確描述流體渦旋的結(jié)構(gòu)，加之不同流場(chǎng)中渦旋的特性也有不同，仍然沒有一種通用的方法描述渦流結(jié)構(gòu)。在大量實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算復(fù)雜流動(dòng)中研究者逐步形成了不依賴坐標(biāo)的選擇和旋轉(zhuǎn)等變化的渦判據(jù)方法：正則化螺旋度、最大渦量法、Q準(zhǔn)則、Δ準(zhǔn)則、λ2準(zhǔn)則、螺旋度法、渦流參數(shù)法等[9]。張翔[10]采用正則化螺旋度法對(duì)不銹鋼沖壓焊接離心泵流向渦運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)和葉輪內(nèi)的流動(dòng)分離進(jìn)行了診斷，結(jié)果顯示葉輪流道內(nèi)的渦旋和流動(dòng)分離不強(qiáng)烈，泵內(nèi)流動(dòng)呈現(xiàn)一種“有序”的結(jié)構(gòu)。小流量工況下，泵內(nèi)的“有序”的結(jié)構(gòu)將不復(fù)存在。曹璞鈺[11]采用渦旋判別Q準(zhǔn)則通過(guò)研究管道式離心泵吸入式流動(dòng)不穩(wěn)定發(fā)現(xiàn)，吸入室中的彎管流動(dòng)和消旋板繞流構(gòu)成了進(jìn)口畸變流，存在雙龍卷風(fēng)式分離渦，該渦旋形成的渦空化引起了離心泵運(yùn)行噪聲。王洋[12]采用渦方法發(fā)現(xiàn)多級(jí)離心泵大流量工況下?lián)P程急劇下降的原因是導(dǎo)葉前緣產(chǎn)生較大的負(fù)沖角導(dǎo)致壓力面產(chǎn)生非穩(wěn)定渦旋，加大了導(dǎo)葉內(nèi)部的損失。

本文針對(duì)蝸殼式離心泵運(yùn)行中壓力脈動(dòng)、振動(dòng)過(guò)大等現(xiàn)象，采用渦動(dòng)力學(xué)診斷內(nèi)部流場(chǎng)渦結(jié)構(gòu)和流動(dòng)分離，研究這些現(xiàn)象的形成機(jī)理。

1 數(shù)值計(jì)算

1.1 計(jì)算模型

離心泵采用懸臂式(端吸)直聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，電機(jī)與泵同軸，中間取消聯(lián)軸器，減小了泵的軸向尺寸，結(jié)構(gòu)更為緊湊。泵參數(shù)如表1所示，計(jì)算模型水力參數(shù)[13]如表2所示。

表1 泵參數(shù)Tab.1 Pump parameters

表2 計(jì)算模型水力參數(shù)Tab.2 Calculation model of hydraulic parameters

模型泵流道的三維造型采用Pro/E三維造型軟件根據(jù)葉輪木模圖、蝸殼水力圖造型，確定計(jì)算模型。將葉輪進(jìn)口段和蝸殼出口段分別進(jìn)行了適當(dāng)延長(zhǎng)，葉輪和蝸殼三維如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型和子午面Fig.1 Pump model and meridian plane

1.2 湍流模型

1.3 網(wǎng)格劃分與邊界條件設(shè)置

網(wǎng)格質(zhì)量是影響數(shù)值結(jié)果精度的重要因素之一，隨著網(wǎng)格數(shù)量增加，數(shù)值預(yù)測(cè)精度將有所提高。但隨之求解時(shí)間也會(huì)大大加長(zhǎng)，增大了運(yùn)算成本，綜合考量后本文對(duì)葉輪和蝸殼采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，泵進(jìn)、出口延伸段采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。圖2為設(shè)計(jì)工況下網(wǎng)格無(wú)關(guān)性曲線。從圖2可以看出，最小網(wǎng)格為4.0 mm、網(wǎng)格數(shù)484 429時(shí)，求解精度最差，耗時(shí)3.2 h；最小網(wǎng)格數(shù)為2.2，網(wǎng)格數(shù)1 326 179時(shí)，求解耗時(shí)5.8 h；隨著網(wǎng)格數(shù)增加揚(yáng)程逐步下降，當(dāng)最小網(wǎng)格為1.2 mm、網(wǎng)格數(shù)2 233 499時(shí)，耗時(shí)7.3 h。最終確定劃分的最小網(wǎng)格數(shù)為1.2 mm，網(wǎng)格總數(shù)為2 233 499，其中葉輪網(wǎng)格數(shù)為883 423，蝸殼網(wǎng)格數(shù)900 476，進(jìn)口段網(wǎng)格數(shù)為163 600，出口段網(wǎng)格數(shù)為286 000。

圖2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性假設(shè)曲線Fig.2 Grid Independence check curve

本文設(shè)置進(jìn)口邊界條件為壓力進(jìn)口一個(gè)大氣壓(1atm)；出口邊界條件設(shè)置為質(zhì)量流量；固壁條件采用無(wú)滑移壁面；旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系采用右手定則(旋轉(zhuǎn)方向?yàn)?Z)；葉輪與進(jìn)口、蝸殼間交互面采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子法(Frozen Rotor)；本文采用的是ANSYS-CFX，其基于有限元法的有限體積法對(duì)N-S方程進(jìn)行求解的，在保證了有限體積法的守恒特性的基礎(chǔ)上，吸收了有限元法的數(shù)值精確性；離散過(guò)程中的對(duì)流項(xiàng)和湍流數(shù)值項(xiàng)均采用高分辨率格式(High Resolution Scheme)；收斂精度設(shè)為1×10-5。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

圖3為江蘇大學(xué)流體中心離心泵閉式實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖，實(shí)驗(yàn)臺(tái)精度滿足GB/T 3216-2016《回轉(zhuǎn)動(dòng)力泵水力性能驗(yàn)收試驗(yàn)1級(jí)和2級(jí)》中1級(jí)精度要求。圖4為0.6Qd、0.8Qd、1.0Qd、1.2Qd和1.4Qd5個(gè)工況下的數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的外特性對(duì)比值。從圖4可以看出，5個(gè)工況的數(shù)值計(jì)算的效率值高于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，誤差依次為：10.86%、3.87%、3.38%、3.81%和3.12%，除了0.6Qd工況下誤差較高之外，其余工況數(shù)值計(jì)算的效率較精確；揚(yáng)程誤差分別為：1.81%、0.06%、3.21%、3.24%和1.30%；功率誤差較大，這是因?yàn)樵跀?shù)值模擬過(guò)程忽略了軸承、摩擦副等引起的機(jī)械損失的原因。數(shù)值計(jì)算外特性變化趨勢(shì)和實(shí)驗(yàn)值是一致的，最高效率點(diǎn)流量也大致相當(dāng)，CFD計(jì)算的結(jié)果是基本準(zhǔn)確。

圖3 閉式實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig.3 Closed testing bed

圖4 數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)的外特性曲線Fig.4 Results of numerical simulation and test

3 流動(dòng)診斷

3.1 常規(guī)診斷

常規(guī)診斷是數(shù)值計(jì)算后處理中提取壓力、速度云圖來(lái)描述流場(chǎng)變化，定性描述流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，觀察葉輪做功。圖5為設(shè)計(jì)工況下不同截面上的壓力云圖，可以看出，隨著半徑的增大，葉輪內(nèi)壓力逐步增大，葉輪中的壓力呈軸對(duì)稱分布，葉輪進(jìn)口為最低壓力區(qū)，出口存在明顯的射流尾跡區(qū)；蝸殼內(nèi)部的壓力值范圍在315～430 kPa，靠近隔舌位置的壓力最大，并延伸至蝸殼出口；從blade to blade 截面可以看出，同一半徑處葉片壓力面的壓力值高于吸力面的，葉輪低壓區(qū)位于葉片頭部吸力面處。

圖5 設(shè)計(jì)工況下不同截面上的壓力云圖Fig.5 Pressure clouds on different sections at design conditions

圖6為設(shè)計(jì)工況下Z=0截面上的速度云圖和速度矢量圖，可以觀察到，葉片壓力面上存在明顯的低速區(qū)，該處的速度基本上在0 m/s，稱為流動(dòng)滯止區(qū)，范圍占據(jù)葉片壓力面的一半，有研究表明通過(guò)縫隙引射流技術(shù)可以有效控制該處的流動(dòng)狀態(tài)，從而提高葉輪做功能力[16,17]；同一半徑處吸力面上的速度值大于壓力面的，尤其在靠近葉片出口位置區(qū)；葉輪出口存在5處高速區(qū)，與葉片數(shù)吻合，該處的最大速度值為18.77 m/s。

圖6 設(shè)計(jì)工況下Z=0截面上的速度云圖Fig.6 Velocity clouds on Z=0 section under design conditions

3.2 渦動(dòng)力學(xué)診斷

渦包括渦量場(chǎng)(Vorticity)和渦旋(vortex)，渦量場(chǎng)是指渦量的空間分布，渦旋是集中渦，渦是湍流的一種基本結(jié)構(gòu)[3]。渦量的來(lái)源是流場(chǎng)中存在速度梯度，是描述有旋運(yùn)動(dòng)的一個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)物理量，渦量場(chǎng)在離心泵中會(huì)演變成一個(gè)個(gè)離散渦量聚集的渦旋。在黏性流體力學(xué)中所述渦是造成液流能量損失的主要原因之一，研究離心泵中的黏性流動(dòng)，特別是二次流動(dòng)，就離不開研究渦旋的運(yùn)動(dòng)。一方面可以弄清楚渦的形成、發(fā)展和衰亡與渦旋之間的流動(dòng)規(guī)律和相互作用機(jī)理，另一方面可以研究如何采用可行的控制手段對(duì)渦旋起主導(dǎo)作用的流動(dòng)實(shí)施有效的控制。尤其對(duì)離心泵而言，弄清不同部件內(nèi)部的流動(dòng)結(jié)構(gòu)尤為重要，可以從根本上控制流動(dòng)分離。

3.2.1 |ω|判據(jù)

渦是渦量集中的區(qū)域，因此自然可以用渦量的模作為渦的判據(jù)，渦量極大的地方是渦的中心。根據(jù)渦量ω的數(shù)學(xué)定義，可以理解為流體微團(tuán)繞其中心做剛性旋轉(zhuǎn)的角速度之兩倍[4]

ω=▽×V

(1)

式中：V為流體質(zhì)點(diǎn)的速度矢量；ω為流體質(zhì)點(diǎn)的渦量。

從圖7可以看出，在葉片進(jìn)口吸力面位置的渦量模值|ω|最大，隨著半徑的增大，逐步減小；蝸型段內(nèi)的值在1.72～214.46 s-1之間，無(wú)法有效捕捉渦的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。因此采用渦量模值|ω|無(wú)法判斷離心泵內(nèi)渦結(jié)構(gòu)、捕捉渦特征。主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：其一，渦量模值極大不等于有渦存在；其二，不具有廣義伽利略不變性[18]。

圖7 渦量的模云圖Fig.7 The value of

3.2.2 正則化螺旋度

螺旋度[19](Helicity)是度量湍流渦量場(chǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一個(gè)重要的物理量。離心泵三維流場(chǎng)中流體運(yùn)動(dòng)的螺旋度的定義為：

(2)

被積函數(shù)稱為螺旋度密度。正則化螺旋度(Hn)根據(jù)速度矢量與渦量的夾角判斷渦核，這種方法可以捕捉到渦核位置，Hn定義為速度與渦量的點(diǎn)積除以速度的模與渦量的模的乘積，如下式：

(3)

在流場(chǎng)區(qū)域內(nèi)，它是在除速度矢量V與渦量矢量ω為零的特殊點(diǎn)外均有定義的標(biāo)量場(chǎng)，其值在[-1，1]區(qū)間。在渦核區(qū)域，速度矢量方向與渦量矢量方向近于平行，正則化螺旋度Hn趨于±1。正則化螺旋度Hn的符號(hào)表明渦旋轉(zhuǎn)的方向，以流動(dòng)方向?yàn)檎较颍琀n為正，渦旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向；Hn為負(fù)，渦旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針方向。圖8為Z=0截面上的正則化螺旋度分布。從圖8可以看出，葉輪吸力面靠近頭部位置存在旋轉(zhuǎn)方向與流動(dòng)相反的渦旋，Hn在[-1，0]；靠近葉輪出口位置吸力面上存在和流動(dòng)方向相一致的渦旋，Hn在[0，1]，圖9為葉刪局部放大圖尤為明顯，該現(xiàn)象與文獻(xiàn)[10]獲得的結(jié)果一致，葉片吸力面上存在一對(duì)旋轉(zhuǎn)方向相反的渦旋，且隨著葉輪旋轉(zhuǎn)周期的生成與潰滅；葉輪和蝸殼的交界面上的Hn值近似對(duì)稱(見圖10)。

圖8 離心泵Z=0截面與葉片、交界面正則化螺旋度Fig.8 Hn of blades, interface and plane of Z=0

圖9 葉柵流道與局部放大圖Fig.9 Hn of cascade and partial enlarged drawing

圖10 葉輪一個(gè)周期內(nèi)兩個(gè)時(shí)刻典型的渦核變化[10]Fig.10 Vetex core in different time under one cycle

圖11和圖12為蝸殼4個(gè)斷面上正則化螺旋度與截面流線分布。可以看出蝸殼斷面上存在一對(duì)旋轉(zhuǎn)方向相反的渦旋，在Plane1和Plane3上表現(xiàn)尤為明顯，基本呈對(duì)稱分布，在該對(duì)渦旋的結(jié)合部分有明顯的相互融合的趨勢(shì)；Plane2上流線和其他截面一樣較為對(duì)稱，但正則化螺旋度提取的渦核分布比較雜亂，呈現(xiàn)4個(gè)正向和1個(gè)反向渦核聚集區(qū)，渦旋有明顯的破裂；Plane1靠近蝸殼隔舌，該區(qū)域的渦核聚集不明顯。

圖11 蝸殼斷面上的正則化螺旋度與流線Fig.11 Hn and velocity curves of section in volute

圖12 放大圖Fig.12 Enlarged drawing

3.2.3Q判據(jù)

由二階張量特性[3]可知，離心泵不可壓縮流的局部速度梯度張量▽V的特征方程可寫為：

λ3+Qλ-R=0

(4)

如果λ1、λ2、λ3是它的3個(gè)根，它們之間存在3個(gè)獨(dú)立的不變量：

P=λ1+λ2+λ3=divV=0

(5)

(6)

(7)

式中：Ωij分別為應(yīng)變速率張量和渦量張量。

(8)

渦旋有3種定義方式，分別是Q判據(jù)，Δ判據(jù)和 判據(jù)。Hunt等人提出把Q>0的區(qū)域定義為渦，即意味著‖Ω‖2>‖E‖2，即在離心泵渦旋的區(qū)域內(nèi)流體的旋轉(zhuǎn)(渦量大小)起主導(dǎo)地位，而流體的應(yīng)變率大小次之，這種方法稱之為Q判據(jù)。圖13為蝸殼內(nèi)的渦旋Q等值面。當(dāng)Q=140 626 s-2時(shí)，葉輪出口位置脫落的一對(duì)渦旋進(jìn)入了蝸殼，且呈軸對(duì)稱分布，如圖13(a)所示；隨著Q值減小到58 533 s-2時(shí)，蝸殼蝸形段出現(xiàn)了一對(duì)長(zhǎng)度較大的渦旋，可以預(yù)知隨著葉輪旋轉(zhuǎn)，該對(duì)渦旋將周期性的拍打隔舌，形成明顯的壓力脈動(dòng)[20]，也就是說(shuō)蝸殼式離心泵產(chǎn)生壓力脈動(dòng)的根源是葉輪出口位置產(chǎn)生周期性的渦旋導(dǎo)致的，隔舌位置的渦旋強(qiáng)度最大。因此，有研究者通過(guò)改變隔舌來(lái)改善離心泵壓力脈動(dòng)強(qiáng)度是符合渦動(dòng)力學(xué)診斷規(guī)律，如賈程麗[21]研究隔舌倒圓，祝磊[22]采用階梯隔舌等。

圖13 蝸殼蝸形段內(nèi)渦結(jié)構(gòu)Fig.13 Votex structures of volute spiral contour

圖14為Q=21 072 s-2蝸殼擴(kuò)散段渦結(jié)構(gòu)。以間隔20 mm做不同的截面，通過(guò)渦動(dòng)力學(xué)診斷發(fā)現(xiàn)，蝸殼擴(kuò)散段上靠近隔舌位置有兩對(duì)渦旋強(qiáng)度較大的區(qū)域，主渦來(lái)自葉輪上脫落后進(jìn)入蝸殼的旋轉(zhuǎn)方向相反的一對(duì)渦，這對(duì)旋轉(zhuǎn)方向相反的主渦比較穩(wěn)定，渦心一端在葉輪上，一端在蝸殼出口上；次渦是蝸殼隔舌上脫落的一對(duì)類卡門渦街的結(jié)構(gòu)，沿著蝸殼出口位置次渦逐步和主渦融合； 次渦不穩(wěn)定，在各種外力的作用下被拉伸，渦有明顯的撕裂，渦心變成兩個(gè)區(qū)域；從圖14(c)可以看出，沿著蝸殼出口方向，渦量的模值由規(guī)則的對(duì)稱分布逐步呈現(xiàn)紊亂的結(jié)構(gòu)，這是由于正反渦在相互作用下融合的結(jié)果，出口位置的渦強(qiáng)度明顯要若于靠近隔舌位置的。

圖14 蝸殼擴(kuò)散段渦結(jié)構(gòu)Fig.14 Votex structures of volute diffusion section

3.2.4 葉輪表面流動(dòng)分離診斷

上文可知，葉輪和蝸殼內(nèi)均出現(xiàn)了一對(duì)旋轉(zhuǎn)方向相反的主渦，葉輪出口位置脫落的主渦是離心泵壓力脈動(dòng)的根源。在渦量動(dòng)力學(xué)中邊界渦量[3](Boun- dary Vorticity Flux，BVF)是其核心的概念，描述單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積擴(kuò)散的渦通量的物理量，即：

(9)

式中：n為壁面外法線單位矢量；μ為動(dòng)力黏性系數(shù)。

通常認(rèn)為BVF的峰值會(huì)引起下游邊界渦量的峰值，三維黏性可壓縮有旋運(yùn)動(dòng)：邊界渦量σ包含固體壁面加速度產(chǎn)生的σa、體積力產(chǎn)生的σf、切向應(yīng)力產(chǎn)生的στ和法向應(yīng)力產(chǎn)生的σπ四部分。對(duì)于離心泵而言，葉片是勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的無(wú)滑移壁面，體積力通常可以忽略不計(jì)，且流動(dòng)屬于完全湍流，σπ遠(yuǎn)大于στ。因此，只需考慮由法向應(yīng)力產(chǎn)生的邊界渦量。對(duì)于離心泵而言，法向應(yīng)力等于壓力，即：

▽P

(10)

在離心泵中作用在葉片表面的力矩主要是由壓力梯度提供的，根據(jù)導(dǎo)數(shù)矩理論可得到：

(11)

式中：Mz為流體作用離心泵葉輪上的扭矩；S為面積；Z為旋轉(zhuǎn)軸方向；σpz為軸向壓力梯度引起的邊界渦量流。

式(11)右邊第一項(xiàng)表示BVF矩在葉片上的面積分，第二項(xiàng)表示壓力矩在邊界上的線積分。式(11)建立了離心泵葉輪做功與葉片表面上BVF之間的關(guān)系。根據(jù)BVF的分布狀況可以找到對(duì)離心泵葉輪做功起到負(fù)貢獻(xiàn)的區(qū)域。從圖15葉輪表面BVF分布可以看出，BVF極大值位于葉片頭部吸力面，該處是葉片與流體剛剛接觸位置，此處流動(dòng)不穩(wěn)定，葉片進(jìn)口安放角可能設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致BVF出現(xiàn)了峰值，葉輪出口位置同樣存在如此現(xiàn)象。

圖15 葉片表面BVF分布Fig.15 BVF on the blades

離心泵葉輪分離區(qū)特性[23]：不僅表面摩擦力線匯聚，而且渦量線有大的曲率。分離線判據(jù)：渦量線曲率達(dá)到局部最大值。分離先兆：BVF線折向基本沿表面摩擦力線方向，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(12)

τ=μωn

(13)

從式(12)可以看出，雷諾數(shù)小則BVF線和摩擦力線夾角大。吳介之等基于渦動(dòng)力學(xué)理論[23]，提出了任意曲面上三維流動(dòng)分離和分離渦形成的新判據(jù)：BVF線和摩擦力線方向趨于一致就可以判定流動(dòng)分離了，表面摩擦力線匯聚，并且BVF有峰值。以下根據(jù)一組正交的曲線簇(τ，ω)對(duì)葉片表面的流動(dòng)分離進(jìn)行診斷。

從圖16可以看出，葉片吸力面靠近蓋板位置摩擦力線發(fā)生了匯聚，有流動(dòng)分離現(xiàn)象；葉片壓力面表面摩擦力線在葉片中間位置形成了匯聚，并且在摩擦力線開始匯聚時(shí)渦量線表現(xiàn)出大曲率，并延伸至葉片出口位置，這與前文采用正則化螺旋度診斷獲得的結(jié)論一致；因此可以判斷葉片表面黏性流動(dòng)分離的起點(diǎn)位于葉片骨線1/2處，并延伸至葉片出口；渦動(dòng)力學(xué)診斷方法可以準(zhǔn)確捉到葉片表面的流動(dòng)分離區(qū)，可以為優(yōu)化葉輪提供一種有效的方法。

圖16 葉片表面流動(dòng)分離結(jié)構(gòu)(紅色為τ線，黑線為ω)Fig.16 Flow separation structure on blades

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)通過(guò)采用常規(guī)流動(dòng)診斷發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)工況下葉輪出口位置存在射流尾跡區(qū)，葉片壓力面存在一個(gè)明顯的低速區(qū)，其尺度約為葉片骨線的一半。

(2)渦動(dòng)力學(xué)診斷可以準(zhǔn)確捕捉到離心泵葉輪、蝸殼中的渦結(jié)構(gòu)的變化，蝸殼蝸形段內(nèi)存在一對(duì)有葉輪表面分離出來(lái)的旋轉(zhuǎn)方向相反的渦旋，該渦旋是蝸殼式離心泵脈動(dòng)的根源，數(shù)量和葉片數(shù)一致。

(3)蝸殼擴(kuò)散段存在兩對(duì)渦，一對(duì)是蝸型段的主渦，一對(duì)是隔舌位置脫落的次渦。沿著蝸殼出口的方向，兩對(duì)渦逐步融合，強(qiáng)度逐步減弱。

(4)采用BVF邊界渦量法可以獲得葉片表面流動(dòng)分離區(qū)，為采用渦動(dòng)力學(xué)方法控制離心泵葉片表面流動(dòng)分離提供了一條有效的思路。