采用熵產理論的離心泵斷電過渡過程特性

馮建軍，張 鈺，朱國俊，李昀哲，李文鋒，羅興锜

采用熵產理論的離心泵斷電過渡過程特性

馮建軍1，張 鈺1，朱國俊1※，李昀哲2，李文鋒2，羅興锜1

（1. 西安理工大學水利水電學院，西安 710048；2. 浙江富安水力機械研究所，杭州 311121）

該文對商業軟件ANSYS CFX進行二次開發，通過自定義函數求解角動量方程獲取實時轉速，建立了模擬離心泵事故斷電過渡過程的三維瞬態數值計算方法，獲得了離心泵外特性參數瞬變規律以及內部流場的動態特性。進一步采用熵產理論獲得了離心泵事故斷電停機飛逸過程中過流部件流場能量損失分布情況，并對流場內隨時間變化的能量損失進行定量評估。結果表明：在整個事故斷電飛逸過程中，熵產與離心泵外特性之間存在著明顯的相關性，能量損失的產生與流場內部的流動分離、回流、漩渦等不良流動現象相關；葉輪、導葉與引水管的主要損失均是由湍流耗散引起的，其壁面熵產占總熵產的10%～15%左右，不可以忽略，而蝸殼區的損失則主要是由近壁面處的強壁面效應引起的；通過分析各部件流場局部熵產率分布隨時間的變化情況，可以得出在制動工況中內流場的高損失區域最大。

離心泵；流場；數值模擬；斷電飛逸；熵產；瞬態特性；能量損失

0 引 言

離心泵具有結構緊湊、適用范圍寬等優點，廣泛運用于液體輸送、冷卻系統等工業設備。近年來，隨著泵在工程應用領域的不斷投入運行，泵的快速啟動、事故斷電停機、快速啟閉閥門等瞬態過程時有發生。在這些過程中，泵的轉速、流量等外特性參數會在短時間產生劇烈的變化，使得內部流場極為不穩定，流體的湍流強度急劇上升，泵內流體經歷了邊界層的形成、流動分離、漩渦等不穩定流動現象，與穩定工況中產生的周期性非定常流動相比存在很大的區別，即產生一定程度的瞬態效應[1]。因此，對離心泵瞬態流動與快速瞬變過程的研究得到了越來越多的關注。

目前國內外對于泵瞬態過程的研究主要集中在啟動過程方面，大部分采用的是試驗與數值模擬相結合的方法。國外最早是日本學者Tsukamoto等[2]對一離心泵進行了快速啟動與停機實驗研究，對瞬態外特性結果進行了分析。在國內，吳大轉等[3]對離心泵快速啟動外特性、不同管路阻力進行了實驗研究。李志鋒[4]分別對不同加速度、不同穩定轉速和不同管路阻力條件下的離心泵啟動過程進行試驗研究，采用循環管路系統模型對全流場進行了非定常流動計算。李偉[5]通過觀察斜流泵啟動過程的內部流場演化過程，探究了斜流泵啟動過程瞬態效應對內部流場渦結構與壓力脈動等外特性的影響。

離心泵啟動過渡過程方面的研究比較豐富[2-5]，但對于泵停機方面尤其是事故停機的研究相對較少。張玉良等[6]通過建立包含離心泵在內的循環管路系統對停機過程進行自耦合的數值模擬計算，分析了低比轉速離心泵在停機過程中的瞬態特性與內流場的非定常流動。周大慶等[7-8]對軸流泵模型斷電過程進行數值模擬，得到了機組轉速、流量、轉矩等參數隨時間的變化規律，以及截面流速場、葉輪葉片壓力場的演變過程。金國棟等[9]對不同葉片角度的泵進行斷電飛逸特性試驗，獲得其單位飛逸轉速，并對其內部流場特性進行分析討論。茍東明等[10]采用全三維耦合過渡過程研究方法對泵斷電飛逸過渡過程進行分析計算，獲得了不同時刻流場的演變過程。可以看出目前對于停機這一瞬態過程的研究對象大部分為軸流泵或水泵水輪機，而對離心泵的停機尤其是事故斷電飛逸過程的研究尤為不足，且目前的研究內容主要圍繞機組的瞬態外特性以及內流場的非定常流動展開，針對泵瞬態過程中能量損失分析評價方面的研究很少。

對于能量損失的分析，傳統的方法是通過內部流場的壓力、速度及其分布的情況，間接地獲得水力損失的范圍和大小，但不能直觀獲取能量損失具體發生的部位，說服力有所欠缺。而今越來越多的學者開始關注流動中的能量損失與熵產的聯系[11-14]，然而熵產理論在流體機械方面運用較少。Li等[15]基于熵產理論對一單級離心泵的揚程-效率曲線中的不穩定特征進行分析，探究出其不穩定的產生機理。Pei等[16]利用熵產法對一水泵葉輪與導葉之間的軸向間隙所產生的能量損失進行了分析評價，得到湍流耗散是產生內流損失的主要原因。Gong等[17]利用熵產理論分析了混流式水輪機的水力損失分布情況，進一步表明了熵產分析法的優勢。Li等[18]針對水泵水輪機模型對不同導葉開度進行熵產損失的對比分析，并考慮熵產的壁面效應，提出計算壁面熵產損失的方程，解決了計算損失存在較大誤差的問題。張亞太等[19]采用熵產理論對二維水翼空化流場中的能量損失做出分析。Yang等[20]通過熵產方法從能量的角度闡明了高速離心泵誘導輪與葉輪之間時序效應的形成機理，對泵內能量損失做出了分析評價。Chang等[21]利用熵產理論對不同葉片厚度條件下的水力損失大小、位置與類型進行了系統的分析，為葉片厚度的合理設計提供了理論基礎。以上研究結果均表明流場內部流動中的損失可以用熵產進行評價與分析，且可以直接顯示內部流場中水力損失值大的區域，定量的描述能量損失的大小，具有非常明顯的優勢。

為了準確掌握離心泵在事故斷電停機飛逸過程中的內外特性以及能量損失情況，本文采用熵產理論分析該過程中各過流部件流場能量損失發生的位置與大小，進一步探究能量損失產生機理以及內外特性瞬時變化之間的關系。

1 計算模型與方法

1.1 模型與計算參數

以某泵站的模型離心泵作為研究對象，其三維幾何模型如圖1所示。計算采用的初始參數如表1所示。

圖1 離心泵幾何模型

表1 計算工況參數

1.2 網格劃分

本文利用ANSYS ICEM軟件對各過流部件進行結構化六面體網格劃分。計算域由蝸殼、導葉、葉輪和引水管組成，各部件網格如圖2所示。

圖2 各過流部件網格

1.3 網格無關性驗證

對于同一模型來說，網格數量是影響數值模擬精度的關鍵因素之一，本文選取4種不同數量的網格數對離心泵在=0.222 3 m3/s，=1 200 r/min這一工況下進行三維定常湍流計算，以揚程和效率為目標函數進行網格無關性驗證。如圖3所示，揚程和效率隨著網格數的增加而變化，當網格數量在620萬以上時，揚程與效率幾乎保持不變，故最終選擇網格數量為620萬。

圖3 網格無關性驗證

1.4 邊界條件設置

采用CFD（computational fluid dynamics）商業軟件ANSYS CFX18.0對模型離心泵事故斷電飛逸過程進行數值模擬，采用剪切應力傳輸模型（shear stress transfer，SST）-湍流模型。瞬態計算時需要利用對應的穩態工況的定常計算結果作為起始邊界條件，本次計算中進出口的邊界條件類型均設置為Opening。其中，將蝸殼計算域的邊界條件設置為對應的定常結果的出口總壓值，將引水管計算域的邊界條件設置為對應的定常結果的進口靜壓值。計算域中僅將葉輪區域設為旋轉域，其余三個部件均設為靜止域，旋轉域與靜止域之間的采用“Transient Rotor Stator”交界面，各個過流部件的壁面均設置為無滑移壁面。時間步長設為0.000 5 s。

1.5 算法實現

基于ANSYS CFX軟件，通過添加用戶自定義程序User Fortran對軟件進行二次開發，對整個停機過程的轉速、轉矩等參數進行控制和計算。此程序是根據轉動平衡方程控制力矩、轉速的動態迭代和變化的過程，轉動平衡方程如下

式中M為作用在葉輪上的合力矩，N·m；為系統的負載力矩，N·m；為葉輪的轉動慣量，kg·m2；為葉輪旋轉的角速度，rad/s；為時間，s。

由于離心泵事故斷電后不帶負載，所以=0，即任意時刻葉輪的旋轉角速度為

（2）

1.6 數值模擬與試驗對比

模型試驗是檢驗數值模擬準確性的重要方式之一，相應的模型試驗裝置和模型葉輪如圖4a和圖4b所示。

圖4 試驗裝置及模型葉輪

對離心泵模型在1 200 r/min下的不同流量工況進行數值計算，并與模型試驗結果進行對比，如圖5所示。從圖中可以看出，效率模擬值略大于試驗值，這是由于在數值模擬計算中忽略了間隙和圓盤損失等因素。在整個計算范圍內，數值模擬結果與試驗結果得到的外特性關系曲線規律是一致的，所以可認為數值模擬的結果是可靠的。

注：H/H0為無量綱揚程，η/η0為無量綱效率，Q/Q0為無量綱流量。

2 熵產理論

熵增原理是熱力學第二定律的其中一種表述，即不可逆過程中熵的微增量總是大于零。熵產是指過程中不可避免地存在由不可逆性所造成的效應，使損失的機械能轉化為內能。在離心泵事故斷電飛逸過程中存在各種不良流動，如漩渦、流動分離、回流等，這些紊亂的流態會導致損失增加，從而引起熵產的增加；除此之外，動能、壓力能轉化為內能會產生耗散，也會引起熵產的增加。在本次計算中，由于水的比熱容較大，可以認定在此過程中溫度不變，故不考慮傳熱引起的熵產。

由平均速度引起的熵產率為

由脈動速度引起的熵產率為

但是脈動速度分量在雷諾平均方程中是無法計算求得的，本文采用SST-湍流模型。故由脈動速度產生的熵產率可以用下式近似計算

Herwig和Kock[23-24]發現，上述兩部分熵產率都存在壁面效應，若在近壁面附近直接采用上述熵產率公式計算則會引起較大誤差。張翔等[25]給出了對壁面摩擦損失的計算方法，單位面積局部壁面熵產率的計算公式如下

因此整個計算域內的主流區熵產為

整個計算域內的總熵產為

3 結果與分析

3.1 外特性變化規律

圖6為離心泵在事故斷電飛逸過程中的轉速、流量以及轉矩這三個外特性參數的相對值0、0和0隨時間的變化規律。從圖中可以看出：離心泵在事故斷電后歷經水泵工況、制動工況、水輪機工況以及飛逸工況。其中，在=0～0.114 5 s中處于水泵工況，各參數相對值迅速下降，轉速下降至初始轉速的45%，流量也隨之減少，在=0.098 5 s時流量降為0，此時0到達波谷。此后離心泵進入制動工況（=0.114 5～0.211 5 s），正向流量逐漸減小，反向流量逐漸增大，轉速繼續下降，在=0.211 5 s時，轉速降至0，此時0=-0.95，0=0.94。隨后機組進入水輪機工況（=0.211 5～0.836 5 s），葉輪開始反向旋轉，轉速由0開始逐漸反向增大而后略有減小最后趨于飛逸轉速。可以看到，在=0.28 s時轉矩相對值達到最大值（0=1.22）后開始減小，當轉矩穩定在=0附近時，離心泵就進入穩定的飛逸工況（>0.836 5 s），此時轉速大小為初始轉速的1.31倍，流量大小為初始流量的63%。

注：M/M0為轉矩相對值；n/n0為轉速相對值；Q/Q0為流量相對值。

3.2 各過流部件的熵產

圖7 主流區熵產與壁面區熵產

離心泵在事故斷電后的整個過程中各個過流部件包括葉輪、引水管、蝸殼、導葉的總熵產變化情況，如圖 8a所示。由圖可知，葉輪區域的總熵產值的變化幅度最大，這是因為斷電后的葉輪做功能力下降，由于流量與轉速的大小、方向的不斷變化，導致其流道內的流態十分紊亂，存在漩渦、流動分離、回流等不良流動，引起速度梯度的不斷變化，從而引起熵產值的大幅度變化；引水管的變化相較于葉輪來說熵產值變化幅度較小；而導葉區域在反向轉速達到最大值時，熵產值出現明顯突增，呈指數增加，這說明在接近飛逸轉速時，導葉中出現的水力不穩定現象所產生的的動載大大增加；蝸殼的熵產數值小且幾乎無變化，約占總損失的0.5%。在進入穩定的飛逸工況后（> 0.836 5 s），可以看到最大的熵產部件為導葉，其次是葉輪、引水管、蝸殼。

注:為直接耗散熵產；SD′為湍流耗散熵產；Sw為壁面熵產。

3.3 流場中的熵產分析

對事故斷電飛逸這一過程結合葉輪與導葉在Span0.5葉片高度下的葉片展開截面的局部熵產率分布情況進行分析。

圖9a為水泵工況與制動工況的臨界工況點，此時轉矩為此階段的波谷，由圖可以看出，小區域的高局部熵產率在此臨界工況點之前主要集中在近隔舌處的導葉流道、葉片壓力面以及葉輪葉片尾緣處，同時在葉片吸力面靠近前緣處也出現較高的局部熵產率。結合圖8d、圖8e可知，在轉矩開始增大之前，湍流耗散熵產隨著時間推移正向流量的減少而增大，即隨著正向流量的減少，葉輪與導葉流場中的水力損失逐漸增大。產生上述現象是因為隨著正向流量的不斷減少，轉矩不斷減小，加之這個過程中的轉速較高，內部流態紊亂，尤其在靠近隔舌處的流體流向紊亂，此時的水力損失的主要來源是流動分離，流動分離導致葉片表面的低流速運動與主流區的高流速運動進行較強的動量交換從而產生高水力損失。

隨著反向流量不斷增大，=0.161 5 s（圖9b）時離心泵已進入制動工況，葉片吸力面的高局部熵產率區域逐漸發展擴大，且靠近葉片前緣處的高局部熵產率區域逐漸擴散消失，這是由于從葉片前緣進入葉輪的正向流量變小，從而與反向流量的混摻減弱，損失減小。

圖9c為=0.211 5 s時（=0）局部熵產率分布情況，此刻為制動工況與水輪機工況的臨界工況點。當轉速=0時，高局部熵產率區域幾乎充滿整個流道，說明此時水力損失很嚴重。

圖10給出了葉輪和導葉到達最大反向轉速時刻的局部熵產率分布圖與渦量云圖。=0.411 5 s時，葉輪轉速達到最大反向轉速，此時的轉矩接近于0，即將進入飛逸工況，內部流態較為紊亂，高局部熵產率區較大，且主要集中在無葉區以及葉片壓力面靠近葉片尾緣處（此時的進水側）。對比圖10a與圖10b可知：流場中渦的分布區域與高局部熵產率分布區域相似，說明流場由于受到流動分離等不穩定因素的影響而產生非定常渦等非定常現象，會造成流場中水力損失的增大，這也進一步表明了采用熵產分析流場能量損失的可靠性。

圖11為葉輪與導葉進入穩定的飛逸工況后的局部熵產率的分布情況。在轉矩、流量、轉速的大小和方向等各參數均趨于穩定后，流場中的水力損失較小且分布均勻，此時只在離心泵葉片尾緣壓力面以及導葉尾跡區域出現局部較高的損失區域，且由于轉速過大，加上機組過流部件中出現的水力不穩定現象所產生的動載大大增加，從而引起過流部件的破壞與振動，威脅泵站的安全。

圖9 不同時刻葉輪和導葉中局部熵產率分布

圖10 t=0.4115 s（葉輪最大反向轉速）的局部熵產率分布圖與渦量云圖

Fig.10=0.4115 s (maximum reverse speed )Entropy production rate and vorticity distribution in the impeller and guide vanes

圖11 穩定的飛逸工況局部熵產率分布

4 結 論

本文基于熵產理論對離心泵斷電飛逸過程中各個過流部件的熵產進行了分析，從能量的角度探究了不良流動的產生機理。通過對計算結果的分析，得到以下結論：

1）整個事故斷電飛逸過程中，熵產與離心泵外特性之間存在著明顯的相關性，在流量、轉速與轉矩發生突變的時刻，熵產也同時發生著劇烈的變化，能量損失的產生與流場內部的流動分離、回流、漩渦等不良流動現象相關。

3）通過對葉輪與導葉的局部熵產率在不同階段工況的分布情況進行分析，從能量的角度直觀地得到在制動工況中內部流場的高損失區域最大，到轉速=0的時刻高損失區域充滿整個葉輪流道。

[1]鄭源，張健. 水力機組過渡過程[M]. 北京：北京大學出版社，2008.

[2]Tsukamoto H, Ohash H. Transient characteristics of a centrifugal pump during starting period [J]. ASME Journal of Fluids Engineering, 1982, 104(1): 6－13.

[3]吳大轉，王樂勤，胡征宇. 離心泵快速啟動過程外部特性的試驗研究[J]. 工程熱物理學報，2006(1)：68－70. Wu Dazhuan, Wang Leqin, Hu Zhengyu. Experimental study on explicit performance of centrifugal pump during rapid starting period [J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2006(1): 68－70. (in Chinese with English abstract)

[4]李志峰. 離心泵啟動過程瞬態流動的數值模擬和實驗研究[D]. 杭州：浙江大學，2009. Li Zhifeng. Numerical Simulation and Experimental Study on the Transient Flow in Centrifugal Pump During Starting Period [D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2009. (in Chinese with English abstract)

[5]李偉. 斜流泵啟動過程瞬態非定常內流特性及實驗研究[D]. 鎮江：江蘇大學，2012. Li Wei. Experimental Study and Numerical Simulation on Transient Characteristics of Mixed-flow Pump During Starting Period [D]. Zhenjiang: Jiangsu University, 2012. (in Chinese with English abstract)

[6]張玉良，朱祖超，崔寶玲，等. 離心泵停機過程非定常流動的數值模擬[J]. 工程熱物理學報，2012，33(12)：2096－2099. Zhang Yuliang, Zhu Zuchao, Cui Baoling, et al. Numerical simulation of unsteady flow in centrifugal pump during stopping period[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2012, 33(12): 2096－2099. (in Chinese with English abstract)

[7]周大慶，劉躍飛. 基于VOF模型的軸流泵機組起動過程數值模擬[J]. 排灌機械工程學報，2016，34(4)：307－312. Zhou Daqing, Liu Yuefei. Numerical simulation of axial pump unit startup process using VOF model[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2016, 34(4): 307－312. (in Chinese with English abstract)

[8]周大慶，鐘淋涓，鄭源，等. 軸流泵裝置模型斷電飛逸過程三維湍流數值模擬[J]. 排灌機械工程學報，2012，30(4)：401－406. Zhou Daqing, Zhong Linjuan, Zheng Yuan, et al. Numerical simulation of transient flow in axial-flow pump unit model during runaway caused from power failure[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2012, 30(4): 401－406. (in Chinese with English abstract)

[9]金國棟，潘志軍，孟金波，等. 斜式軸流泵裝置模型的飛逸特性研究[J]. 水動力學研究與進展A輯，2013，28(5)：591－596. Jin Guodong, Pan Zhijun, Meng Jinbo, et al. Study of the runaway character of slanted axial-flow pump[J]. Chinese Journal of Hydrodynamics A, 2013, 28(5): 591－596. (in Chinese with English abstract)

[10]茍東明，郭鵬程，羅興锜，等. 抽水蓄能電站泵工況斷電飛逸過渡過程三維耦合數值研究[J]. 水動力學研究與進展A輯，2018，33(1)：28－39. Gou Dongming, Guo Pengcheng, Luo Xingqi, et al. 3-D combined simulation of power-off runaway transient process of pumped storage power station under pump condition[J]. Chinese Journal of Hydrodynamics A, 2018, 33(1): 28－39. (in Chinese with English abstract)

[11]張永學，侯虎燦，徐暢，等. 熵產方法在離心泵能耗評價中的應用[J]. 排灌機械工程學報，2017，35(4)：277－282. Zhang Yongxue, Hou Hucan, Xu Chang, et al. Application of entropy production method to centrifugal pump energy loss evaluation[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2017, 35(4): 277－282. (in Chinese with English abstract)

[12]王松嶺，張磊，葉學民，等. 基于熵產理論的離心風機性能優化[J]. 中國電機工程學報，2011，31(11)：86－91. Wang Songling, Zhang Lei, Ye Xuemin, et al. Performance optimization of centrifugal fan based on entropy generation theory[J]. Proceedings of the CSEE, 2011, 31(11): 86－91. (in Chinese with English abstract)

[13]段璐，吳小林，姬忠禮. 熵產方法在旋風分離器內部能耗分析中的應用[J]. 化工學報，2014，65(2)：583－592. Duan Lu, Wu Xiaolin, Ji Zhongli. Application of entropy generation method for analyzing energy loss of cyclone separator[J]. CIESC Journal, 2014, 65(2): 583－592. (in Chinese with English abstract)

[14]Li Xiaojun, Jiang Zhiwu, Zhu Zuchao, et al. Entropy generation analysis for the cavitating head-drop characteristic of a centrifugal pump[J]. Proceeding of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 2018, 232(24): 4637－4646.

[15]Li X, Zhu Z, Li Y, et al. Experimental and numerical investigations of head-flow curve instability of a single-stage centrifugal pump with volute casing[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy, 2016, 230(7): 633－647.

[16]Pei J, Meng F, Li Y, et al. Effects of distance between impeller and guide vane on losses in a low head pump by entropy production analysis [J]. Advances in Mechanical Engineering, 2016, 8(11): 756466032.

[17]Gong R, Wang H, Chen L, et al. Application of entropy production theory to hydro-turbine hydraulic analysis[J]. Science China Technological Sciences, 2013, 56(7): 1636－1643.

[18]Li Deyou, Wang Hongjie, Qin Yonglin, et al. Entropy production analysis of hysteresis characteristic of a pump-turbine model[J]. Energy Conversion and Management, 2017, 149: 175－191.

[19]張亞太，楊寶鋒，陳煒，等. 基于熵產理論的水翼空化特性研究[J]. 推進技術，2019，40(7)：1490－1497. Zhang Yatai, Yang Baofeng, Chen Wei, et al. Study on cavitation characteristics of hydrofoil based on entropy production theory[J]. Journal of Propulsion Technology, 2019, 40(7): 1490－1497. (in Chinese with English abstract)

[20]Yang Baofeng, Li Bin, Chen Hui, et al. Entropy production analysis for the clocking effect between inducer and impeller in a high-speed centrifugal pump[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, 2019, 233(15): 5302－5315.

[21]Chang Hao, Shi Weidong, Li Wei, et al. Energy loss analysis of novel self-priming pump based on the entropy production theory[J]. Journal of Thermal Science, 2019, 28(2): 306－318.

[22]Bejan A. Entropy Generation Minimization-The Method of Thermodynamic Optimization of Finite-Size Systems and Finite-Time Processes[M]. New York: CRC Press LLC, 1995: 47－57.

[23]Herwig H, Kock F. Direct and indirect methods of calculating entropy generation rates in turbulent convective heat transfer problems[J]. Heat and Mass Transfer, 2007, 43(3): 207－215.

[24]Kock F, Herwig H. Local entropy production in turbulent shear flows: A high-reynolds number model with wall functions [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2004, 47: 2205－2215.

[25]張翔，王洋，徐小敏，等. 低比轉數離心泵葉輪內能量轉換特性[J]. 農業機械學報，2011，42(7)：75－81. Zhang Xiang, Wang Yang, Xu Xiaomin, et al. Energy conversion characteristic within impeller of low specific speed centrifugal pump[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(7): 75－81. (in Chinese with English abstract)

Transition process characteristics of centrifugal pump with power-off based on entropy production theory

Feng Jianjun1, Zhang Yu1, Zhu Guojun1※, Li Yunzhe2, Li Wenfeng2, Luo Xingqi1

(1.,’,’710048,; 2.,311121,)

In this paper, a transient numerical calculation method is established based on ANSYS CFX software and user-defined program, which can simulate the power-off runaway transient characteristics of a centrifugal pump. The variation rule of external characteristic parameters with time can be obtained through numerical calculations and compared with experimental data. The comparison of results show that the simulation results agree well with experimental results, the proposed numerical method has been therefore validated. During the power-off runaway transient process, the centrifugal pump system will successively undergo the pump condition, braking condition, turbine condition and runaway condition, with external characteristic varying significantly during the process. Internal flow structure is closely related to external characteristic and affects each other. The hydraulic loss due to friction and unstable flow patterns in the pump causes a drop in hydraulic efficiency. The traditional method for analyzing the hydraulic loss is by evaluating the total pressure drop, which has certain limitations and cannot determine the exact locations at which the high hydraulic loss occurs. In this study, entropy production theory has been adopted to obtain a detailed distribution of the hydraulic loss in the centrifugal pump. Through the use of the entropy production theory, the variation of the entropy production was obtained. The distribution of energy loss of flow components during this process is obtained by using the entropy generation theory, and the energy loss is analyzed. The results show that there is a clear correlation between the entropy production and the external characteristics of the centrifugal pump during the entire runaway process. The entropy production also undergoes dramatic changes at the moment of sudden changes in flow rate, rotational speed and torque. The main losses of the impeller, guide vanes and suction pipe are caused by turbulent dissipation, and the wall entropy production accounts for about 10%–15% of this total entropy production, which means the wall effect could not be ignored. However, the loss of the volute is mainly due to the strong wall effect in the near wall region, which is different from other three flow components, denoting the main loss generation mechanism is different. In addition, it is found that both the energy loss and variation range of the impeller and guide vanes are relatively larger than those of other flow components in the whole process. By analyzing the distribution of the local entropy production of the impeller and the vanes at different stages, it is intuitively obtained from the energy point of view that the high loss region of the internal flow field is the largest in the braking condition, and the high loss area fills the entire impeller flow path when the rotational speed drops to 0. The results obtained in this paper can improve the understanding of transient characteristics of a centrifugal pump during the power-off transient condition.

centrifugal pump; flow field; numerical simulation; power-off runaway; entropy production; transient characteristics; energy loss

馮建軍，張 鈺，朱國俊，李昀哲，李文鋒，羅興锜. 采用熵產理論的離心泵斷電過渡過程特性[J]. 農業工程學報，2020，36(4)：10－17. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.04.002 http://www.tcsae.org

Feng Jianjun, Zhang Yu, Zhu Guojun, Li Yunzhe, Li Wenfeng, Luo Xingqi. Transition process characteristics of centrifugal pump with power-off based on entropy production theory[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(4): 10－17. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.04.002 http://www.tcsae.org

2019-11-14

2020-01-11

國家重點研發計劃資助（2018YFB1501900）；國家自然科學基金（51679195）；陜西省自然科學基礎研究計劃資助項目（2019JQ-044）；陜西省教育廳科研計劃項目（19JK0570）

馮建軍，教授，研究方向為流體機械流動理論與優化設計、流體機械振動與穩定性分析。Email：jianjunfeng@xaut.edu.cn

朱國俊，講師，研究方向為流體機械流動理論與優化設計、流動分析等。Email：guojunzhu@xaut.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.04.002

TK733+.3

A

1002-6819(2020)-04-0010-08