離心泵進口回流漩渦特性淺析

摘要：應用ANSYS CFX軟件對不同工況下低比轉速離心泵進口處的三維湍流流場進行了數值模擬。采用標準k-ε模型對不同工況下的進口流場進行定常模擬，并對其結果進行分析，得到了各工況下回流漩渦的強度、位置、形態等靜態特性。在此基礎上，對進口流場進行了大渦模擬，分析了不同工況下在葉輪轉動的過程中回流漩渦的數量、強度、位置等特性的變化，并描述了回流漩渦隨葉輪轉動從發生、發展、衰減到消失的全過程。結果表明，模型泵回流發生的關鍵流量點為0.7Qd。回流發生后，隨著流量的減小，回流強度增加，回流漩渦的體積變大，漩渦中心向進水管內移動，堵塞部分流道。回流漩渦隨葉輪一起繞進水管中心線旋轉，且不同流量下出現的漩渦數量和漩渦強度不同。當流道掃過蝸殼出水斷面時，流道進口回流初生，在一個葉輪旋轉周期內，回流完成從初生、發展、衰減到消失的全過程。隨著各流道內相對速度和壓力梯度的變化，流道進口回流漩渦呈現不同形態。

關鍵詞：離心泵;進口回流;數值模擬;漩渦特性

0? ? 引言

離心泵在小流量工況下運行時，在葉輪進口處會出現回流現象。流體從葉輪中倒流出來進入進水管，又從靠近葉輪輪轂處重新回到葉輪內。回流的產生會消耗能量，降低水泵的效率。同時，回流漩渦會導致流量和壓力脈動，加劇葉輪內部的汽蝕，進而產生振動和噪聲[1]。

回流漩渦的存在是回流對水泵造成不利影響的根本原因，為了了解回流漩渦的特性，認識回流漩渦的產生機理和變化規律，國內外學者對離心泵進口回流漩渦進行了大量研究。X.Y.Qiao和H.Horiguchi[2]等人采用大渦模擬，對誘導輪前回流的漩渦進行了研究，分析了回流形態、結構、數量以及流量不同時回流區大小的變化。T.Kimura[3]對誘導輪的幾何參數對回流的影響進行了研究，研究發現，回流區的大小與上游流體角動量的大小有明顯關系。K.Yokota[4]在可以自由調節主流軸向速度和漩渦切向速度的新式試驗臺上，利用小氣泡進行了可視化試驗，研究了回流漩渦的結構、數量、渦核的位置和漩渦對流場速度分布的影響。Y.Tsujimoto[5]和K.Yamamoto[6]等人研究了進口回流引起的漩渦汽蝕、旋轉汽蝕及其對于汽蝕穩定性所造成的影響。

上述研究主要集中在誘導輪前的回流方面，目前對離心泵葉輪進口回流的研究較少。兩種回流的產生機理及特性都有所不同，且上述研究沒有得到葉輪轉動過程中回流漩渦的變化規律，尤其是未能描述回流漩渦從發生、發展、衰減到消失的整個過程。

為了更加深入地了解回流漩渦的動態特性，本次通過定常數值模擬，對不同工況下回流漩渦的形態、強度和位置等靜態特性進行了分析探討，并采用大渦模擬，分析葉輪轉動過程中回流漩渦的數量和強度變化等動態特性，從而對回流漩渦產生的機理和變化規律進行研究，以期改善及解決目前存在的問題。

1? ? 模擬模型

模型泵為單級單吸臥式蝸殼離心泵，設計參數為：額定流量Q=25 m3/h，揚程H=32 m，轉速n=2 900 r/min。葉輪為閉式葉輪，葉片數為6，葉輪出口直徑D2=165 mm，葉輪出口寬度b2=7 mm，葉輪進口直徑Dj=65 mm，蝸殼基圓直徑D3=176 mm。計算區域為進水管、葉輪和蝸殼組成的流道，如圖1所示。

2? ? 回流漩渦靜態特性分析

隨著流量的變化，葉輪進口回流漩渦的大小、形態、強度和數量都會有所不同，這些特性一般被稱為回流漩渦的靜態特性。為了掌握回流漩渦的靜態特性，需要對不同工況下的葉輪進口流場進行定常數值模擬。

2.1? ? 計算條件

采用ANSYS CFX軟件進行計算。計算模型采用k-ε湍流模型，進口邊界條件采用速度進口，進口湍動能kin和耗散率εin分別為：

出口邊界條件為壓力出口，固體壁面為無滑移邊界條件，給定固體壁面粗糙度。

2.2? ? 計算結果分析

由于葉輪進口回流主要發生在小流量工況下，因此文中選取了從0.1Qd到0.8Qd共8個工況的葉輪進口流場進行定常數值模擬，并從中選取0.1Qd、0.3Qd、0.5Qd、0.6Qd、0.7Qd、0.8Qd這6個漩渦特性比較典型的工況進行分析，如圖2所示。

觀察圖2可得，流量不同，漩渦的強度、形態和位置都有所不同。分析圖中漩渦的強度和位置可以發現，當Q=0.8Qd時，漩渦只出現在葉輪流道內，未超出葉片進口邊，此時葉輪進口回流還沒有形成。當流量減小到Q=0.7Qd時，漩渦伸出葉輪流道，漩渦中心處于葉片進口邊前，進口回流正式形成。隨著流量的繼續減小，漩渦強度逐漸增大，漩渦中心向進水管上游移動，漩渦體積增大并阻塞流道。

回流漩渦都位于靠近葉輪前蓋板的一側，漩渦的中心都集中在葉輪流道中線到前蓋板之間的區域內。

3? ? 回流漩渦動態特性分析

回流漩渦不僅隨流量的變化而變化，而且在葉輪轉動的過程中，其強度和形態也都會發生改變。隨著葉輪的旋轉，回流漩渦在不同流道的進口處產生、發展、衰減并最終消失。回流漩渦在葉輪旋轉過程中的變化特性稱為回流漩渦的動態特性。對不同工況下的葉輪進口流場進行大渦模擬，通過分析不同時刻的漩渦特性對其動態特性進行研究。

3.1? ? 計算條件

大渦模擬采用Smagorinsky模型，PISO算法。進口邊界條件采用質量流量邊界，出口邊界條件選擇平均靜壓邊界。固定壁面采用無滑移壁面邊界條件，近壁區采用標準壁面函數。葉輪每轉0.5°為一個時間步長，每個時間步長為0.000 028 73 s，葉輪旋轉4個周期，總時間為0.083 s，總時間步數為2 880步。

3.2? ? 計算結果分析

在葉輪的一個轉動周期內，選取不同時刻葉輪進口截面處的靜壓分布進行分析，如圖3和圖4所示，圖中藍色的低壓部分被認為是葉輪進口處出現的回流漩渦，壓力越低可認為回流漩渦強度越大。由圖3可得，當Q=0.6Qd時，只出現一個回流漩渦，漩渦強度較弱。漩渦隨葉輪一起，繞葉輪進口截面中心進行旋轉，且漩渦旋轉的方向和速度都與葉輪相同，且在旋轉的過程中，漩渦逐漸增大。

當Q=0.4Qd時，根據上節分析可知，此時回流強度變大，觀察圖4可發現，此時不僅回流漩渦的體積變大，而且在葉輪旋轉的過程中，出現了不止一個回流漩渦。選擇葉輪的兩個旋轉周期作為分析時長，使得回流漩渦能夠穩定出現，以便于觀察。

通過分析可發現，回流漩渦首先出現在一個流道內，此時漩渦的強度較大。隨著葉輪的旋轉，在相鄰的流道進口處會逐漸產生另外一個回流漩渦。之后兩個漩渦均會穩定存在，但是漩渦的大小和強度都會隨著葉輪的旋轉發生變化。兩個漩渦均隨葉輪一起，繞著葉輪進口截面中心旋轉。

分析葉輪進口截面上的靜壓分布可得到在葉輪旋轉過程中流量不同時回流漩渦的數量和形態的變化規律，但是要了解回流漩渦發生、發展、消失的全過程及其原因，則需要對回流漩渦的渦強度變化進行分析。

在0.3Qd工況下，葉輪進口處出現兩個以上的回流漩渦，可以形象地展示不同位置漩渦形態交替變化的全過程。因此以0.3Qd工況為例，說明在一個葉輪旋轉周期的時長內回流漩渦發生和發展的過程，如圖5所示。

從圖5中可觀察到，隨著葉輪轉動，在流道1經過蝸殼的出水斷面的過程中，在進口前開始出現回流漩渦，漩渦隨葉輪旋轉，穩定出現在流道進口處，如圖5（a）所示。當流道1完全掃過蝸殼出水斷面后，回流漩渦強度開始減小，此時流道2進口前的渦強度開始逐漸增強，如圖5（b）所示。葉輪繼續旋轉，流道2進口處的渦強度增強且范圍擴大，當強度增大到一定值時，在流道2進口處出現明顯的回流漩渦，此時流道3掃過出水斷面，其進口處同樣出現回流漩渦，如圖5（c）所示。葉輪繼續旋轉，流道1、2進口處的漩渦強度逐漸減弱，流道3進口的回流漩渦逐漸增強。當葉輪恰好轉動一周時，3個流道內進口處的漩渦已經減弱，此時掃過蝸殼出水斷面的流道進口處出現漩渦，如圖5（d）所示，開始下一輪循環。

上述現象是葉輪旋轉一周時間內，回流漩渦變化的全過程。為了掌握回流漩渦的產生機理和變化規律，需要對漩渦變化全過程的各個階段進行分析：

（1）在流道1經過蝸殼出水斷面過程中，由于該斷面為蝸殼各斷面中壓力最大的一個，因此流道1為所有流道中壓力梯度最大的。由于此時流量小于設計流量，流體進入流道的入流角小于葉輪的進口角，使得流體不能平滑地進入流道。此時葉輪流道喉部的相對速度w1t與葉片進口葉頂處的相對速度w1之比w1t/w1增大，當其比值增大到一定值時，液流在葉片表面發生分離，再加上較大的壓力梯度的作用，會在葉片工作面上產生脫流。

（2）脫流的液流在離心力等的作用下返回葉輪進口，形成進口回流漩渦。流道1掃過出水斷面后，由于壓力梯度減小，漩渦在一定的慣性作用下繼續存在一段時間，但是強度逐漸減弱。

（3）流道1通過出水斷面后，流道2開始掃過過水斷面，該流道內的壓力梯度達到最大。但此時流道1的回流漩渦阻塞了流道1，導致流道2中的流量增大，這使得流入流道2流體的入流角增大，相對速度增大，延緩了漩渦的形成，因此可以觀察到流道2進口的渦粘性強度變大但未能形成完整漩渦。

（4）葉輪繼續旋轉，流道1進口的漩渦減小，過流能力增強，使得流道2的流量相應減少，相對速度減小，流動分離增強，因此在流道2進口處形成漩渦。此時流道3掃過蝸殼出水斷面，開始形成微弱回流漩渦。

（5）在流道3掃過出水斷面的過程中，其進口處漩渦強度逐漸增大，流道1、2進口的漩渦則逐漸減弱。

（6）在這種情況下，由于相鄰3個流道進口都存在不同強度的漩渦，流道的阻塞已經相當嚴重，迫使流體更多地流入其他流道，造成這些流道內液流角的增大，相對速度增大，有效地減少了回流在其他流道進口的發生。

（7）隨著葉輪旋轉，1、2、3流道內的壓力梯度逐漸降低，回流漩渦也逐漸減弱直至消失。當有流道掃過蝸殼出水斷面時，在其進口處又會發生回流現象，此時葉輪恰好旋轉一周。

前述分析研究了離心泵回流發生后，葉輪旋轉的第一個周期內的回流變化情況，由于漩渦的存在有一定的慣性，當葉輪旋轉一個周期后，還會有微弱的漩渦殘留，此時的流場未能完全恢復到發生回流前的狀態，如圖5（d）所示。這種微弱影響在葉輪繼續旋轉時會進行疊加，并對之后的漩渦變化產生影響，使之后的回流漩渦變化產生與葉輪第一個旋轉周期不同的規律。

通過上述分析得出，葉輪內相對速度的變化和流道內壓力梯度是回流產生的先決條件，兩者的共同作用造成了回流漩渦形態的變化。根據此結果，通過降低離心泵的轉速或增加離心泵入口壓力，可以使離心泵葉輪回流漩渦現象消失，以達到泵運行更加穩定可靠的目的。

4? ? 結語

本次通過對不同工況下的葉輪進口流場進行定常數值模擬和大渦模擬，研究了進口回流漩渦在不同工況下的靜態特性及其在葉輪旋轉過程中的動態特性，描述了回流漩渦隨葉輪旋轉過程中在不同流道進口處從產生、發展、衰減到消失的全過程，并在此基礎上探討了回流漩渦的產生機理和變化規律。

研究證明，不同工況下進口回流漩渦的形態、強度和位置都會發生變化。回流漩渦位于靠近葉輪前蓋板一側時，漩渦的中心都集中在葉輪流道中線到前蓋板之間的區域內。隨著流量的減小，回流漩渦的強度增強，體積增大并阻塞流道，漩渦中心向上游移動，回流漩渦的數量增加。回流漩渦會隨葉輪旋轉，在旋轉過程中不同流道進口前的回流漩渦其強度和形態都會發生變化，完成從產生、發展到衰減、消失的全過程。筆者分析后認為，葉輪內相對速度和流道內壓力梯度的變化兩者共同對回流的產生和變化造成影響。

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收稿日期：2021-01-22

作者簡介：劉錦波（1986—），男，河南開封人，助理工程師，研究方向：機械工程。