端壁間隙流動對軸流泵性能影響分析

　　采用CFD計算工具FLUENT，基于N-S方程，采用標準K-ε紊流模型，以及SMPLEC算法，取間隙大小δ相對于轉(zhuǎn)輪直徑大小的0.5%、1%、1.5%、2%，對以上4種不同間隙在不同流量下軸流泵端壁間隙流動進行了數(shù)值模擬，同時也對軸流泵內(nèi)部帶間隙的流場進行了數(shù)值分析。結(jié)果顯示：間隙的大小，影響著葉片的空化性能和水泵效率及揚程，對泵的性能有著巨大的影響。給今后軸流泵的設(shè)計改進提供了可靠的理論依據(jù)。

　　軸流泵在水利建設(shè)過程中有著廣泛的應(yīng)用，其擁有大流量、低揚程、制造簡易以及成本較低等優(yōu)點。在軸流泵的轉(zhuǎn)輪室內(nèi)，端壁間隙流雖然相對于轉(zhuǎn)輪區(qū)域極小，但由于在這狹小的區(qū)域內(nèi)流態(tài)很不穩(wěn)定，幾何尺寸相對轉(zhuǎn)輪直徑較小的間隙空間卻對整個轉(zhuǎn)輪室產(chǎn)生巨大的影響，導(dǎo)致水泵的效率和揚程產(chǎn)生一定變化。因此，十分有必要研究水泵內(nèi)間隙大小對水泵性能的影響。在現(xiàn)階段，國內(nèi)外普遍用數(shù)值模擬的方法來研究這些復(fù)雜的流動現(xiàn)象，國內(nèi)的李龍、戴辰辰、楊昌明、陳次昌等人對泵內(nèi)流場進行模擬時都用的是數(shù)值模擬，而國外有SvetlanaPoroseva等學(xué)者對泵模擬時也采用的是數(shù)值模擬。但是，目前而言，在對泵內(nèi)進行流場數(shù)值模擬的文獻當中，很多都忽視了葉端間隙的存在，本文在文獻的基礎(chǔ)上，用Pro/E建模軟件對軸流泵建模，改用FLUENT計算軟件計算，指出了泵間隙對整個流場的影響并對泵內(nèi)回流和流場紊亂作出了詳細的介紹，給今后軸流泵的設(shè)計改進提供了可靠的理論依據(jù)。

1、模擬計算

　　1.1、建立模型

　　數(shù)值模擬研究所采用的軸流泵泵段區(qū)域，包括葉輪及葉輪導(dǎo)入部分、出口部分。葉輪直徑300mm，輪轂直徑140mm，葉片共4片，泵段長為550mm，轉(zhuǎn)速為1350r/min，最佳工況時的流量為308.6L/s，揚程為4.6m。

　　1.2、劃分計算網(wǎng)格

　　先對整個泵進行實體造型，然后進行網(wǎng)格劃分，在網(wǎng)格劃分中，考慮到間隙較小，因此在間隙處細化網(wǎng)格，總體網(wǎng)格劃分如圖1所示，網(wǎng)格總節(jié)點大約為280000，不同間隙由于劃分的網(wǎng)格數(shù)不同，因此節(jié)點數(shù)不同。在計算體內(nèi)采用非結(jié)構(gòu)化、多面體混合網(wǎng)格劃分。

圖1 軸流泵網(wǎng)格劃分

　　1.3、進出口邊界條件設(shè)定

　　進口條件設(shè)為質(zhì)量進口，給定流量大小，以無旋法向進口來確定速度方向，壓力均勻分布，定義湍流強度和水力直徑。湍流強度可以由經(jīng)驗式(1)來估算：

　　泵出口條件由質(zhì)量守恒方程確定。

　　1.4、模擬計算

　　對軸流泵內(nèi)部進行數(shù)值分析時采用時均N-S方程做為控制方程，標準K-δ紊流模型，通過收斂速度較好的SMPLEC算法實現(xiàn)速度和壓力分離求解，壓力項采用PRESTO!，其他項采用二階迎風(fēng)差分格式。

結(jié)論

　　1)隨著葉片頂端間隙增大，軸流泵的揚程和效率都將減少，這是由于間隙變大導(dǎo)致間隙流對主流的影響增大，迫使流場紊亂，使泵的揚程效率降低。

　　2)隨著葉片頂端間隙增大，葉片高壓面和低壓面的壓力差減小，葉片進口處的負壓增高降低了發(fā)生氣蝕的可能。

　　3)間隙和流量都會對葉片頂端回流產(chǎn)生一定的影響，間隙和流量越大，葉片頂端間隙就越不容易發(fā)生回流。

　　4)間隙的大小直接影響到泵的性能，大間隙影響泵的效率而小間隙會提高葉片發(fā)生氣蝕的幾率。因此合理的間隙尺寸才能使泵的性能更加完善。