軸流泵全流道三維定常流場(chǎng)特性分析研究

　段銘鈺，吳承亮，黃逸哲

（廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西南寧530000）

軸流泵全流道三維定常流場(chǎng)特性分析研究

段銘鈺，吳承亮，黃逸哲

（廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西南寧530000）

建立了軸流泵三維幾何模型，采用分塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分技術(shù)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格劃分，給出了邊界條件的設(shè)置及湍流模型的選取原則。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了軸流泵內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬仿真計(jì)算，得到了不同工況下軸流泵葉片、導(dǎo)葉及交界面的壓力云圖和速度矢量圖，分析了軸流泵壓力和速度分布特性，其研究結(jié)果可為軸流泵的設(shè)計(jì)和性能改進(jìn)提供參考。

軸流泵；非設(shè)計(jì)工況；CFD方法；流場(chǎng)分析

軸流泵具有流量大，揚(yáng)程低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便的特點(diǎn)。在船舶、兩棲車輛、噴水推進(jìn)器等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其流場(chǎng)特性不僅影響其工作效率，也關(guān)系到其使用壽命和運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)軸流泵流場(chǎng)特性進(jìn)行了研究，張德勝等對(duì)不同湍流模型在軸流泵的應(yīng)用中對(duì)軸流泵的性能預(yù)測(cè)提供了可靠的依據(jù)；李忠等通過(guò)對(duì)軸流泵內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)對(duì)提高泵效和節(jié)能提供了理論依據(jù)；施衛(wèi)東等對(duì)各種型號(hào)的軸流泵水力模型進(jìn)行了一系列的設(shè)計(jì)和研究，并得到了其相關(guān)的結(jié)果和規(guī)律［1-5］。考慮到船舶領(lǐng)域的一些軸流泵在很多情況下工作在非設(shè)計(jì)工況，工況的改變是否會(huì)對(duì)軸流泵流場(chǎng)特性產(chǎn)生影響，其變化規(guī)律如何有待進(jìn)一步研究。

本文以軸流泵為研究對(duì)象，采用CFD方法，并結(jié)合流體動(dòng)力學(xué)、渦運(yùn)動(dòng)學(xué)等理論，對(duì)軸流泵進(jìn)行三維幾何建模、CFD網(wǎng)格劃分、計(jì)算求解，在此基礎(chǔ)上對(duì)不同工況的流場(chǎng)和規(guī)律進(jìn)行分析。

1　軸流泵全流道三維幾何建模和網(wǎng)格劃分

1.1軸流泵模型有關(guān)參數(shù)及計(jì)算域?qū)嶓w造型

針對(duì)船舶領(lǐng)域?qū)S流泵的應(yīng)用需求，本文選用某型號(hào)的軸流泵進(jìn)行全流道三維流動(dòng)數(shù)值模擬研究。其軸流泵參數(shù)為：葉輪直徑300mm，葉片數(shù)3個(gè)，單機(jī)設(shè)計(jì)流量250 L/s，導(dǎo)葉葉片數(shù)7個(gè)，葉輪室壁面直徑301 mm，葉輪的設(shè)計(jì)揚(yáng)程4.5m，額定轉(zhuǎn)速1 450 r/min.

根據(jù)葉片參數(shù)，采用升力法設(shè)計(jì)出葉輪葉片，選用成熟的翼型作為葉片從輪轂到輪緣徑向方向截面的翼型形狀。再分別設(shè)計(jì)出6個(gè)截面，通過(guò)6個(gè)截面上得翼型形狀來(lái)確定軸流葉片的三維形狀。導(dǎo)葉造型采用流線法設(shè)計(jì)，原理同葉輪設(shè)計(jì)。泵體除了葉輪、導(dǎo)葉，還有進(jìn)口彎管、泵體葉輪外壁以及出口管部分。由于泵體葉輪外壁、出口管部分都是軸對(duì)稱形式，可以通過(guò)給定軸截面，然后圍繞軸線掃描360°的方法得到實(shí)體。最終的實(shí)體模型效果如圖1所示。

圖1　軸流泵整體CAD實(shí)體模型

1.2軸流泵的網(wǎng)格劃分

在ICEM CFD中根據(jù)模型建立相應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，然后對(duì)應(yīng)相應(yīng)的點(diǎn)、線、面，建立對(duì)應(yīng)的關(guān)系，映射后可以得到相應(yīng)的引水管、葉片流道、導(dǎo)葉、導(dǎo)葉后流道、導(dǎo)管流場(chǎng)網(wǎng)格。內(nèi)部表面網(wǎng)格和整體網(wǎng)格如圖2、3所示。

圖2　內(nèi)部表面網(wǎng)格

圖3　整體網(wǎng)格圖

2　軸流泵邊界條件的設(shè)置

本研究采用速度入口邊界條件，即在泵的入口采用均勻的速度進(jìn)口，軸向速度大小由流量和進(jìn)口面積決定，如設(shè)計(jì)工況下的進(jìn)口速度：

式中，Qd為設(shè)計(jì)工況流量，S為泵模型入口面積。流量與速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所列。

表1　不同工況下流量與速度的關(guān)系

3　軸流泵流場(chǎng)特性的仿真結(jié)果分析

對(duì)采用SST 2階模型得出的泵內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行分析。

3.1葉片正面背面壓力分布

泵運(yùn)行時(shí)，流體經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)的葉輪室獲得能量，葉片的水力性能直接影響到整個(gè)泵的水力性能。

本文中，選取1.0Qd、1.2Qd兩個(gè)具有代表性的工況來(lái)分析葉片的壓力分布，現(xiàn)列流量為Qd、1.2Qd時(shí)其正面靜壓云圖如圖4、圖5所示。

圖4　 Qd正面靜壓云圖

圖5　 1.2Qd正面靜壓云圖

各種工況下的葉片正面的靜壓分布非常相似，軸向方向來(lái)看，從葉片的進(jìn)口邊到出口邊，壓力逐漸變大；徑向方向來(lái)看，從葉片的輪轂到輪緣，壓力逐漸變大。在輪緣處，出現(xiàn)有高低壓相間的分布情況，這也是葉尖泄露渦的一種表現(xiàn)形式。

總體上，葉片從進(jìn)口邊到出口邊，壓力逐漸增加。在葉片靠近輪緣處出現(xiàn)了一個(gè)明顯的低壓區(qū)，從四種工況來(lái)看，最低壓力區(qū)的面積和位置隨著流量不同而有變化。流量從小到大變化時(shí)，最低壓力區(qū)的位置從靠近進(jìn)口位置不斷向上推進(jìn)，同時(shí)低壓區(qū)的面積也隨之增加，但最低壓力的數(shù)值卻不斷增大。這個(gè)情況在葉片背面的總壓分布圖中也同樣存在。在低壓區(qū)最容易發(fā)生汽蝕，大量的實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了這點(diǎn)。在1.2Qd工況時(shí)，葉片的進(jìn)口處出現(xiàn)了一個(gè)狹長(zhǎng)的高壓區(qū)，這是因?yàn)楦咚倭黧w沖擊導(dǎo)致的?？傮w上看，葉片的正面壓力大于背面壓力。

3.2葉片正面背面的速度分析

圖6、圖7、圖8分別為0.5Qd，Qd，1.2Qd工況下的葉片正面的速度分布情況。

圖6　 0.5Qd正面相對(duì)速度矢量圖

圖7　 Qd正面相對(duì)速度矢量圖

圖8　 1.2Qd正面相對(duì)速度矢量圖

從上述三種工況來(lái)看，總體上，葉片正面、背面相對(duì)速度從輪轂到輪緣逐漸變大。在設(shè)計(jì)工況流量下，葉片正背面的相對(duì)速度分布比較均勻，無(wú)回流現(xiàn)象。在小流量工況下，葉片正背面速度分布不太均勻，特別是在靠近出口邊輪轂位置，出現(xiàn)了少量回流。這是因?yàn)榱髁繙p小，葉輪內(nèi)流體的離心力比半徑方向的壓力梯度大，流體在葉輪出口側(cè)向外緣附近徑向移動(dòng)，使得葉片出口側(cè)外緣的流速快，輪轂側(cè)慢，結(jié)果就在出口輪轂側(cè)形成回流。在大流量工況（1.2Qd）下，大部分區(qū)域速度分布均勻，只在葉片背面出口邊靠近輪轂處不太均勻。

3.3葉輪與導(dǎo)葉的交界面的壓力分布

圖9至圖10為Qd，1.2Qd工況下葉輪與導(dǎo)葉之間的交界面壓力分布。

圖9　 Qd總壓云圖

圖10　 1.2Qd總壓云圖

從上述兩種工況來(lái)看，在葉片和導(dǎo)葉的交界面處成對(duì)出現(xiàn)了7個(gè)高低壓相間的區(qū)域，而導(dǎo)葉個(gè)數(shù)是7，可以看出導(dǎo)葉進(jìn)口高壓區(qū)在這個(gè)界面上的影響。同時(shí)，也可以看出，隨著流量的增加，高壓區(qū)的面積也逐漸變大。

3.4導(dǎo)葉正面背面壓力分布

如圖11、圖12是0.5Qd工況下，導(dǎo)葉的正背面靜壓云圖，表2是0.5Qd工況下導(dǎo)葉正背面所受壓力對(duì)應(yīng)數(shù)值，可以看出在導(dǎo)葉的前緣處正背面分別有一細(xì)長(zhǎng)的低壓和高壓區(qū)，說(shuō)明流體從葉輪流進(jìn)導(dǎo)葉體時(shí)存在沖擊現(xiàn)象。另外，導(dǎo)葉正背面的壓力沿軸向逐漸增大。

圖11　導(dǎo)葉正面靜壓云圖

圖12　導(dǎo)葉背面靜壓云圖

表2　工況下導(dǎo)葉正背面所受壓力

3.5軸向截面的總壓分布

圖13是軸流泵總壓云圖，可以明顯看出流體從進(jìn)口到出口壓力增大，在葉片處，變化最明顯，這正體現(xiàn)出了軸流泵葉輪對(duì)流體的做功作用。

圖13　軸流泵總壓云圖

4　結(jié)束語(yǔ)

本文以軸流泵為研究對(duì)象，通過(guò)建立其仿真模型，分析了軸流泵4種具有代表性的工況的壓力和速度分布特性，揭示了其變化規(guī)律，具體如下：

（1）研究了四種工況下的葉片壓力分布規(guī)律、葉尖泄漏渦，相對(duì)速度變化及回流情況，隨著流量的增大，正面壓力和背面壓力的壓差越大。

（2）分析了不同工況下導(dǎo)葉的壓力和速度分布情況、工況的變化對(duì)導(dǎo)葉進(jìn)口高壓區(qū)在葉片和導(dǎo)葉的交界面上的影響，發(fā)現(xiàn)了流體從葉輪流進(jìn)導(dǎo)葉時(shí)存在沖擊現(xiàn)象且壓力沿軸向增大的規(guī)律。導(dǎo)葉可將流體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能，從而減小泵的水力損失，提高效率。

（3）軸向總壓分析驗(yàn)證了軸流泵葉輪對(duì)流體的做功作用。

［1］張德勝，施衛(wèi)東，張華，等.不同湍流模型在軸流泵性能預(yù)測(cè)中的應(yīng)用［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28（1）：66-71.

［2］何希杰.軸流泵的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.水泵技術(shù)，1998，（6）：29-33.

［3］施衛(wèi)東.ZM931高比轉(zhuǎn)速軸流泵水力模型的設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，1998，29（2）：48-52.

［4］施衛(wèi)東.ZMB-750型軸流泵水力模型的研究［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，1999，30（4）：17-22.

［5］張光蓉.我國(guó)軸流泵的發(fā)展與開發(fā)研究［J］.東方電氣評(píng)論，2004，18（l）：4-9.

Research of the 3-D Steady Flow Field of the Axial Flow Pum p

DUAN Ming-yu，WU Cheng-liang，HUANG Yi-zhe
（College ofMechanical Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China）

For the axial flow pump，the three dimensional geometric model is developed，it uses a block structured mesh technology for structured grid，given set of boundary conditions，and turbulencemodel selection principles. Based on the numerical simulation of the internal flow field of axial flow pump simulation，guide vane of axialflow pumps，axial flow pumps and their interfaces，their pressure and velocity vector are obtained under different operating conditions.By analyzing the pressure and velocity distribution characteristics of axial-flow pump，the research results are available for axial flow pump design and performance improvements.

axial flow pump；non design condition；CFDmethod；flow field analysis

TH312

A

1672-545X（2016）06-0028-04

2016-03-14

段銘鈺（1992-），男，河南洛陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向：流體測(cè)控技術(shù)；吳承亮（1991-），男，廣西玉林人，碩士研究生，研究方向：流體測(cè)控技術(shù)；黃逸哲（1990-），男，湖北武漢人，碩士研究生，研究方向：機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)。