輕載型軸流泵的流場分析和葉型優(yōu)化

張 宇， 管仁偉， 安 偉*， 徐峰

(1．江南大學機械工程學院，江蘇無錫 214122;2．錫泵制造有限公司，江蘇無錫 214000)

目前我國廣大地區(qū)的水利抽排水工程、城市防汛工程，以及鄉(xiāng)村防洪抗旱工程等，大多采用固定泵站。其特點是容量大，投資大，建成后固定在確切位置來完成送水功能。但有許多防汛抗旱或需臨時排水場合沒有固定泵站，這時機動靈活的移動泵站是對固定泵站最好的補充，在很多情況下具有固定式泵站無法比擬的優(yōu)勢。但應急搶險移動泵站相對于固定式泵站受到了很多的限制，不能發(fā)揮其所有性能。因此，對應急搶險移動泵站用輕載型軸流泵的設計與優(yōu)化，研究軸流泵內(nèi)葉輪導葉的流場機理，對其效率、揚程等性能進行深入研究，以提高其性能指標，不僅具有理論意義，更具有實際的應用價值。但是目前國內(nèi)關于軸流泵葉輪葉型優(yōu)化的文獻相對較少，僅是對泵內(nèi)流場進行模擬。因此，提出泵葉輪葉型優(yōu)化方法，完善軸流泵的設計方法，成為當前需要解決的難題。

1 數(shù)值模擬及可靠性驗證

1．1 建模及網(wǎng)格劃分

利用三維建模商業(yè)軟件Pro/E建立輕載型軸流泵的模型，該模型的結(jié)構參數(shù)符合應急搶險移動泵站用輕載型軸流泵的要求。圖1為根據(jù)其結(jié)構的幾何參數(shù)和葉片木模圖生成的簡化軸流泵實體。

圖1 模型Pro/E造型Fig．1 Pro/E modeling

計算網(wǎng)格采用分區(qū)分塊網(wǎng)格生成的方法，將復雜的幾何區(qū)域分割成若干簡單的小塊，然后將每一小塊區(qū)域單獨生成合適的網(wǎng)格，最后將所有的網(wǎng)格耦合起來。葉輪導葉區(qū)域利用Numeca中專門針對葉輪旋轉(zhuǎn)機械部分網(wǎng)格生成器Autogrid5進行劃分，設置葉輪網(wǎng)格屬性為泵用模板的拓撲結(jié)構、軸流，設置轉(zhuǎn)速、葉片數(shù)、第一層的網(wǎng)格厚度等參數(shù)。彎管、喇叭管區(qū)域在Numeca子模塊igg中劃分，采用蝶形網(wǎng)格。最后在igg中將三部分進行耦合。見圖2。

圖2 Numeca中生成的模型Fig．2 Numeca modeling

圖3為葉輪導葉三維固壁網(wǎng)格，圖4為全流道的三維結(jié)構網(wǎng)格。

圖3 葉輪導葉三維固壁網(wǎng)格Fig．3 3D mesh of impeller and guide vane

圖4 全流道三維結(jié)構網(wǎng)格Fig．4 3D structured mesh modelling

其中葉輪導葉劃分單元的網(wǎng)格總數(shù)892 221，彎管和喇叭管劃分單元的網(wǎng)格總數(shù)412 548，網(wǎng)格總數(shù)1 304 769，后面的數(shù)值模擬收斂狀況良好，網(wǎng)格質(zhì)量也較好。

1．2 數(shù)值計算方法和邊界條件

利用CFD軟件——Numeca中的Fine/turbo建立了基于真實幾何模型的輕載型軸流泵內(nèi)部的三維湍流數(shù)值模擬的計算平臺，使用時間相關法求解Reynolds時均方程。為了快速計算各種復雜流場，該軟件采用多塊/多重網(wǎng)格的計算技術，并有多種可供選擇的運動方程和湍流模型。計算工質(zhì)為清水，運動方程為湍流N-S方程，對流項采用基于TVB量差分分裂方法的高精致迎風格式，其中心格式采用了Jameson人工粘性顯格式，上風格式采用基于TVD與通量差分分裂方法的高精致格式，方程求解采用多階Runge-Kutta法，并應用多重網(wǎng)格與隱式殘差光順法等加速收斂技術，湍流模型采用Spalart-Allmaras模型。計算時給定進口流體速度，工質(zhì)流入方向，靜溫;出口給定靜壓;固壁hub，葉片blade設定轉(zhuǎn)速，其它固壁設置靜止。

1．3 數(shù)值計算結(jié)果及可靠性分析

圖5為不同工況下軸流泵葉輪的總體性能模擬數(shù)據(jù)和泵性能試驗數(shù)據(jù)的對比結(jié)果。

圖5 不同工況下水泵揚程及效率曲線Fig．5 Pump lift and efficiency curve under the different conditions

從對比結(jié)果可以看出，揚程和總效率都相差很小，其設計工況在工程允許的誤差范圍5%范圍內(nèi)。但由于計算模型中忽略了葉頂間隙的影響，使泵的效率和揚程在設計工況均有不同程度的增加。在流量較小的工況，不容易收斂，誤差相對較大，但已經(jīng)可以充分說明數(shù)值模擬的正確性和合理性［1］。

1．4 葉輪導葉內(nèi)部的靜壓分析

圖6給出了設計工況下輪轂、輪蓋和葉輪導葉的靜壓分布云圖。

圖6 葉輪導葉區(qū)域靜壓云圖Fig．6 Static pressure diagram

由圖6可以看出，靜壓分布在圓周方向，具有較好的對稱性;工質(zhì)從進口到出口，壓力呈現(xiàn)增大趨勢，在出口處壓力明顯得到提升。流體進入葉輪以后，軸向速度增加，導致葉片吸力面一側(cè)的靜壓降低，尤其是葉輪葉頂一側(cè)的速度最快，流體繞過葉片的進口端時，由于急速轉(zhuǎn)彎，使流速進一步加快，在葉片吸力面進口邊葉頂處形成全流場壓力的最低值，該位置與在實際運行時發(fā)生汽蝕的位置是相吻合的，由此也可以證明計算的正確性和合理性［2-4］。如圖7 所示。

圖7 葉輪葉片的汽蝕Fig．7 Cavitation performance of pump

1．5 葉輪內(nèi)部的流動分析

為了研究速度矢量沿著Z軸的變化趨勢，在設計工況下從葉輪和導葉體出口端之間做了4個垂直于Z軸的截面，從圖8中可以大體了解到，進口處的速度以旋轉(zhuǎn)流動為主，旋轉(zhuǎn)流動基本上順著流道沿徑向減弱，到出口處，軸向速度大于徑向速度。在靠近葉輪葉片出口邊的截面2處可以看到流動分離和漩渦的跡象。

圖8 不同截面處的相對速度矢量分布Fig．8 Relative velocity vector distribution in different section

文中研究的軸流泵葉輪葉片屬于扭曲比較嚴重的葉片，葉根附近的流動狀況混亂、復雜，葉片的壓力面附近的根部存在流動分離，葉根的出口處產(chǎn)生了明顯的漩渦，近壁面處的流動分離已經(jīng)嚴重影響到葉片流道主區(qū)域的流動，導致?lián)p失增大，效率降低，見圖9。

圖9 速度極限流線圖Fig．9 Speed limit flow diagram

可見，葉根出口處明顯的沖擊和馬蹄渦的存在，嚴重影響了流道的近壁面流動，葉輪葉根尾部結(jié)構設計可能存在不合理性［5］。分析原因，可能是由于葉片的出口角和葉型壓力面型線的彎曲不符合流動規(guī)律，因而導致馬蹄渦的形成，致使馬蹄渦后的分支在葉片兩側(cè)產(chǎn)生了漩渦和分離流動［6-7］。針對上述的流動問題，文中對旋轉(zhuǎn)葉輪提出葉型修正的方案——優(yōu)化葉輪葉片的吸壓力面的型線，以期能夠消除或者減少不必要的流動損失，提高葉輪的水力性能。

2 葉型優(yōu)化

2．1 葉片幾何參數(shù)化擬合

根據(jù)提出的修正方案，只針對葉輪葉片的吸壓力面的型線進行優(yōu)化，其它的結(jié)構均不變。具體控制條件設定:輪轂線、輪蓋線設置20點控制的B-Spline樣條曲線;流面設置從左到右的默認迭代;積疊線位置設置在進口邊，葉片子午面定位設置為10點控制的Bezier曲線;葉片的進口邊和出口邊均設置成圓角;周向定位設置為10點控制的Bezier曲線;中弧線設置為3點控制的Bezier曲線;葉片的壓力面和吸力面型線均采用3點控制的Bezier曲線。圖10為葉輪葉根處葉型最后的擬合結(jié)果。

圖10 葉輪葉根處葉型參數(shù)化擬合結(jié)果Fig．10 Leaf type parametric fitting results of blade root

2．2 數(shù)據(jù)庫生成

在生成數(shù)據(jù)庫之前，首先要清楚選擇什么幾何參數(shù)作為優(yōu)化的幾何約束(自由參數(shù))，盲目選擇自由參數(shù)只會為數(shù)據(jù)生成工作和后期的優(yōu)化工作帶來極大的難度。本課題中的葉片共7個截面，設置截面1和截面7的共6個控制點作為可變參數(shù)。對于中間截面，將其和截面1和截面7的變化關聯(lián)起來，用關系式表達，使從根部到頂部逐漸變化。這樣既可以減少自由參數(shù)的數(shù)量，又不至于由于各個截面自由變化而導致葉片變成不切實際的形狀。最后設置隨機數(shù)取樣模式，樣本數(shù)選取30。數(shù)值模型利用igg多級腳本文件，采用和原型泵相同的模型。

2．3 優(yōu)化方法和過程

OPtimization優(yōu)化過程實際上是對數(shù)據(jù)庫中的一系列的葉型所對應的結(jié)果進行近似函數(shù)擬合，并利用ANN(人工神經(jīng)網(wǎng)絡)的理論尋找擬合曲線的最優(yōu)值，并對最優(yōu)值對應的幾何形狀進行流場分析，實現(xiàn)循環(huán)尋優(yōu)的過程。在此過程中，它不斷地向已經(jīng)存在的數(shù)據(jù)庫文件中添加新的樣本。對每一個幾何形狀都要進行幾何建模、網(wǎng)格生成、流場分析以及后處理計算等步驟。

對數(shù)據(jù)庫樣本進行優(yōu)化時，選擇葉輪的水力效率和進出口壓差作為目標函數(shù)，將水力效率值設置為1，即效率的目標是1，進出口的壓差設置為不小于29 066．00 Pa，數(shù)據(jù)庫尋優(yōu)步數(shù)設置為10。

2．4 葉輪葉片優(yōu)化的結(jié)果

下文提取了具有代表性的4個樣本的結(jié)果進行參考，最后一個為最優(yōu)葉輪樣本，見圖11。

圖11 優(yōu)化樣本Fig．11 Optimization sample

圖12和圖13為葉根、葉頂截面上的葉片優(yōu)化前后的葉型圖。

從以上兩圖可以看出，壓力面和吸力面的型線發(fā)生了變化。

表1為優(yōu)化前后原型葉輪和最優(yōu)葉輪總體性能參數(shù)的對比。

表1 原型葉輪、最優(yōu)葉輪對比Tab．1 Numerical simulation results comparison between original impeller and best impeller

可以看出，在設計工況下，優(yōu)化設計后葉輪的水力效率相對提高了2．73%，揚程提高了8．83%，表明最優(yōu)葉輪的水力性能要大大好于原型葉輪。

改進葉型后，原葉輪葉片在吸力面根部形成的流動分離和漩渦基本消失，流道中的通道渦和出口處沖擊受到抑制，葉根進口處的相對速度矢量分布趨于合理，近壁區(qū)域流動趨于良好，葉輪的水力效率得到很大的提升，說明改型措施正確有效［8-10］。文中的優(yōu)化設計證明，控制葉輪壓力面和吸力面的型線可以控制葉片出口邊的馬蹄渦，消除近壁面流動分離和漩渦，減小流動中的通道渦強度和影響范圍，提高軸流泵整體的水力效率。

3 結(jié)語

1)運用 Numeca軟件中的前處理模塊 igg、autogrid5，計算模塊Fine/trubo，對輕載型軸流泵進行了全流道的三維數(shù)值模擬，數(shù)值模擬的結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)較好吻合，證明了文中針對該型軸流泵所選用的數(shù)值模擬方法和計算模型的準確性和可靠性。

2)根據(jù)模擬的結(jié)果，分析了流動中存在的問題，探討了葉輪葉型結(jié)構的不合理處，提出了改進的方法，利用design3D對葉型進行了優(yōu)化設計，優(yōu)化效果明顯。在水力效率相對提高2．73% 的同時，水泵的揚程也大大增加，原型葉輪中存在的漩渦和壁面脫離現(xiàn)象基本消失，葉根進口沖擊和流道渦團影響范圍減弱，葉輪的水力性能顯著提高。

3)研究表明，漩渦和流動分離是高比轉(zhuǎn)速、高扭曲軸流式葉輪損失的主要原因，驗證了通過改變壓力面和吸力面的葉型形狀，可以控制流道內(nèi)各個渦團的形成和結(jié)構，減小或者消除流道內(nèi)不必要的流動損失，提高軸流泵葉輪的水力性能。

4)針對當前國內(nèi)外對輕載型軸流泵葉輪葉型優(yōu)化的相關研究較少的情況，提出泵葉輪葉型優(yōu)化的方法，完善了軸流泵的設計和優(yōu)化方法。

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