離心泵葉片表面布置障礙物抑制空化的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)

趙偉國(guó) 趙國(guó)壽 咸麗霞 韓向東

(1.蘭州理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 蘭州 730050; 2.蘭州理工大學(xué)甘肅省流體機(jī)械及系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 蘭州 730050)

離心泵葉片表面布置障礙物抑制空化的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)

趙偉國(guó)1,2趙國(guó)壽1咸麗霞1韓向東1

(1.蘭州理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 蘭州 730050; 2.蘭州理工大學(xué)甘肅省流體機(jī)械及系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 蘭州 730050)

以一臺(tái)比轉(zhuǎn)數(shù)為32的低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵作為研究模型，提出了一種在葉片工作面加障礙物的方法來(lái)抑制空化初生及發(fā)展的方法。在不同空化數(shù)下，采用修正的SSTk-ω湍流模型和Kubota空化模型對(duì)模型泵葉片表面在有、無(wú)障礙物條件下進(jìn)行三維非定常數(shù)值模擬，結(jié)果表明：低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵在有障礙物運(yùn)行時(shí)揚(yáng)程下降在5%以內(nèi)，效率下降在3%以內(nèi)，設(shè)計(jì)點(diǎn)揚(yáng)程下降3%，效率下降1.2%。障礙物可以有效增大葉片近壁湍動(dòng)能，改變壓力分布，對(duì)離心泵內(nèi)各個(gè)階段空化均有抑制作用。障礙物可以優(yōu)化流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，削弱靠近葉片背面的旋渦強(qiáng)度，對(duì)靠近隔舌區(qū)域的葉片工作面和背面作用效果明顯。有障礙物時(shí)離心泵葉輪內(nèi)空泡體積在空化各個(gè)階段均小于無(wú)障礙物時(shí)葉輪內(nèi)空泡體積，在空化發(fā)展階段，障礙物使空泡體積持續(xù)衰減?？张莩叨劝l(fā)展到障礙物位置時(shí)，障礙物可以較大程度減低壓力脈動(dòng)主頻幅值，對(duì)流場(chǎng)優(yōu)化產(chǎn)生最佳效果，在空化發(fā)展其他階段，障礙物會(huì)對(duì)葉輪內(nèi)壓力脈動(dòng)造成小幅擾動(dòng)。

離心泵； 障礙物； 空化抑制； 數(shù)值模擬

引言

離心泵是應(yīng)用最廣泛的流體機(jī)械之一， 其中低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵一直存在效率不高、汽蝕性能較差、內(nèi)部流動(dòng)不穩(wěn)定等問(wèn)題?？栈请x心泵運(yùn)行時(shí)常見(jiàn)的一種物理現(xiàn)象，離心泵在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的回流與空化流動(dòng)相互作用，形成對(duì)葉輪內(nèi)能量交換更為復(fù)雜的干擾和破壞[1]?？栈粌H對(duì)定常態(tài)的流體流動(dòng)產(chǎn)生影響，還會(huì)影響流動(dòng)的非定常特性或動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。動(dòng)態(tài)響應(yīng)的改變會(huì)使流動(dòng)內(nèi)部出現(xiàn)不穩(wěn)定性，對(duì)外表現(xiàn)為離心泵的振動(dòng)和噪聲特性。離心泵內(nèi)部空化表現(xiàn)為旋轉(zhuǎn)空化[2-3]、空化喘振[1,4]、堵塞喘振及其他一些高頻流動(dòng)不穩(wěn)定性[5]。在離心泵空化狀態(tài)由空化初生工況到揚(yáng)程斷裂工況的發(fā)展過(guò)程中，空泡在葉輪流道內(nèi)積累并逐漸影響葉輪內(nèi)正常的能量交換?？栈前嘧儭⒎嵌ǔ?、多維湍流等多種復(fù)雜影響因素的流動(dòng)現(xiàn)象，流體機(jī)械內(nèi)部的空化流動(dòng)嚴(yán)重影響機(jī)器性能，其非定常脫落更是引起機(jī)器振動(dòng)、噪聲和磨蝕等嚴(yán)重問(wèn)題[5]。離心泵內(nèi)空化現(xiàn)象通常發(fā)生在葉片前緣，在低流量工況時(shí)，在葉片吸力面發(fā)生空化，高流量時(shí)在壓力面發(fā)生空化。在工程應(yīng)用中，常以凈正吸頭、空化數(shù)和吸入比轉(zhuǎn)數(shù)等來(lái)表征離心泵的工作條件和吸入性能[1]。對(duì)于空化的數(shù)值模擬已成為目前研究的重要手段。

圖1 計(jì)算域網(wǎng)格與監(jiān)測(cè)點(diǎn)Fig.1 Grid of computational domain and monitoring points

目前抑制空化的方法主要有3種：在葉片空化面布置障礙物阻擋回射流、設(shè)置反向空氣射流[6]、使用開(kāi)縫葉片優(yōu)化流場(chǎng)結(jié)構(gòu)[7]。KAWANAMI等[8]通過(guò)一系列水翼實(shí)驗(yàn)觀察到片空化的破裂是由翼型尾部向頭部流動(dòng)的回射流引起的，并指出在片空化末端即翼型中部設(shè)置小的障礙物阻擋回射流，可以預(yù)防空化的產(chǎn)生。戴月進(jìn)等[9]在翼型表面施加粗糙帶，增加了近壁面流場(chǎng)湍動(dòng)能，使轉(zhuǎn)捩提前，提高了近壁面流場(chǎng)壓力，抑制空化初生的發(fā)生。牟介剛等[10]分析了非光滑表面離心泵葉輪的流動(dòng)減阻特性。司喬瑞等[11]采用 SSTk-ω湍流模型分析了空化條件下離心泵泵腔內(nèi)不穩(wěn)定流動(dòng)。盧加興等[12]基于模擬和實(shí)驗(yàn)研究了空化條件下泵進(jìn)出口的壓力頻率特性。付燕霞等[13]數(shù)值模擬了離心泵葉片入口處的回流旋渦空化。MEDVITZ等[14]基于Kunz空化模型[15]研究了小空化數(shù)下離心泵內(nèi)空化流動(dòng)。TAN等[16]基于修正的RNGk-ε湍流模型[17]模擬了離心泵小流量工況下運(yùn)行時(shí)的壓力脈動(dòng)特性。

本文在前人研究工作的基礎(chǔ)上，基于修正的SSTk-ω湍流模型[18]和Kubota空化模型[19]，通過(guò)對(duì)比離心泵葉片工作面布置障礙物發(fā)生空化的形式、形成過(guò)程、空化團(tuán)的非對(duì)稱分布及其與壓力脈動(dòng)之間的關(guān)系，采用瞬態(tài)模擬方法，分析障礙物對(duì)空泡流動(dòng)的抑制作用，以期為抑制空化和離心泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分

計(jì)算模型為一比轉(zhuǎn)數(shù)為32的低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵，設(shè)計(jì)參數(shù)為：流量Q=8.6 m3/h，揚(yáng)程H=4.2 m，轉(zhuǎn)速n=500 r/min。葉片形狀為圓柱葉片，主要幾何參數(shù)如下：泵入口直徑Ds=90 mm，泵出口直徑Dd=65 mm，葉輪入口直徑D1=80 mm，葉輪出口直徑D2=310 mm，葉輪出口寬度b2=12 mm，葉片進(jìn)口角β1=37°，葉片出口角β2=37°，葉片數(shù)Z=6。

對(duì)葉輪流道內(nèi)進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分，以便準(zhǔn)確捕捉障礙物凸起對(duì)周圍流場(chǎng)的影響，蝸殼采用適應(yīng)性較強(qiáng)的四面體網(wǎng)格，整體計(jì)算域如圖1a所示。網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢查如表1所示，隨著網(wǎng)格數(shù)增大，揚(yáng)程逐漸趨于穩(wěn)定，最終確定網(wǎng)格單元數(shù)1 017 321，節(jié)點(diǎn)數(shù)838 520。為保證數(shù)值模擬精度，常用Y+值來(lái)保證近壁面區(qū)域有足夠的節(jié)點(diǎn)數(shù)來(lái)捕捉邊界層內(nèi)的流動(dòng)[20]，文中Y+表示離壁面最近的網(wǎng)格點(diǎn)到壁面的距離，為無(wú)量綱變量，定義為

式中τω——壁面切應(yīng)力，Paρ——流體密度，kg/m3Δn——離壁面最近2個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)間距離，mυ——運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s

表1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢查T(mén)ab.1 Check of grid independence

本文所采用的SSTk-ω模型近壁區(qū)應(yīng)用k-ω模型，考慮到邊界層網(wǎng)格的Y+值范圍，Y+在100左右基本滿足k-ω湍流模型對(duì)近壁網(wǎng)格質(zhì)量要求[21]。本次模擬近壁網(wǎng)格Y+值能夠保證在離心泵流場(chǎng)模擬中具有較好的適用性。

葉輪流道內(nèi)及隔舌監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如圖1b所示，P1、P2、P3位于葉輪流道內(nèi)，P5位于流道內(nèi)障礙物前側(cè)，流道內(nèi)點(diǎn)P1、P2、P3及P5均隨葉輪旋轉(zhuǎn)，P4點(diǎn)位于蝸殼隔舌處，不隨葉輪旋轉(zhuǎn)。結(jié)合前人對(duì)水翼表面障礙物的形狀位置研究[9-10,22]以及離心泵空化流場(chǎng)的觀測(cè)，障礙物布置在葉輪半徑45%處，障礙物截面形狀為2 mm×2 mm矩形，高度取6 mm，如圖2所示。

圖2 障礙物網(wǎng)格劃分Fig.2 Grid generation of obstacle

2 湍流模型和空化模型

汽液兩相采用ANSYS-CFX中的均相模型，即汽液兩相有相同的壓力場(chǎng)與速度場(chǎng)，兩相間無(wú)速度滑移，假定汽相在液相中均勻分布，混合相密度可變，混合相控制方程如下：

連續(xù)性方程

(1)

動(dòng)量方程

(2)

式中ui、uj、uk——速度分量ρm——混合相密度δij——克羅內(nèi)克常數(shù)μ——層流粘度μt——湍流粘度t——時(shí)間xi、xj、xk——坐標(biāo)分量p——壓力

N-S方程通過(guò)SSTk-ω湍流模型封閉。混合相密度可以表示為

ρm=αvρv+ρl(1-αv)

(3)

式中ρv、ρl——汽相和液相密度αv——汽相體積分?jǐn)?shù)

2.1修正的SSTk-ω湍流模型

由MENTER[23]發(fā)展的SSTk-ω模型考慮到了湍流剪應(yīng)力的傳輸，不但能對(duì)各種來(lái)流進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，還能在各種壓力梯度下精確地模擬分離現(xiàn)象，綜合了k-ω模型在近壁模擬和k-ε模型在外部區(qū)域計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)，這是由于SSTk-ω模型比標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型中多了一個(gè)混合方程，這個(gè)混合方程的作用是在近壁區(qū)域激活了標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型，在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域激活使用k-ε模型，而且SSTk-ω使用了修正的湍流黏度來(lái)考慮湍流剪應(yīng)力的傳輸，且較標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型，SSTk-ω模型的ω方程中多了一個(gè)交叉擴(kuò)散項(xiàng)D，這些改進(jìn)使SSTk-ω模型比標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型在廣泛的流動(dòng)領(lǐng)域中有更高的精度和可信度。尤其適合低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵內(nèi)高旋轉(zhuǎn)、大曲率變形的流動(dòng)。其控制方程為

(4)

(5)

(6)

式中Gk——湍動(dòng)能k的生成項(xiàng)Gω——耗散率ω的生成項(xiàng)Γk、Γω——k和ω的有效擴(kuò)散系數(shù)Yk、Yω——由于紊流引起的k和ω的耗散Dω——交叉擴(kuò)散項(xiàng)Sk、Sω——用戶自定義的源項(xiàng)

由于空化流具有密度可變、兩相之間密度比較大的特點(diǎn)，因此空化流的數(shù)值模擬主要困難在于處理汽液相變而造成的密度變化。特別是空化區(qū)域，密度急劇變化，采用常規(guī)的SSTk-ω湍流模型會(huì)過(guò)大地預(yù)測(cè)流道內(nèi)近葉片表面的流體黏性，從而導(dǎo)致云空化泡難以脫落，因此需要對(duì)SSTk-ω模型湍流粘度進(jìn)行修正，以便更好地捕捉模擬離心泵內(nèi)空泡流的動(dòng)態(tài)特性。本文僅對(duì)式(2)中的黏性項(xiàng)進(jìn)行修正，應(yīng)用密度函數(shù)f(ρ)替代式(6)中的混合密度，故計(jì)算湍流黏度的公式為

(7)

其中

(8)

對(duì)于式(8)中n的取值一般建議取10。引入密度函數(shù)后，特別是對(duì)水蒸氣含量較小的氣液混合區(qū)域，可以限制空穴尾部水氣混合區(qū)過(guò)大的湍流度，以更好地模擬離心泵內(nèi)非穩(wěn)態(tài)空泡脫落行為[24]。

2.2 Kubota空化模型

Kubota空化模型由簡(jiǎn)化Rayleigh-Plesset方程發(fā)展而來(lái)，忽略了空泡半徑隨時(shí)間的二階導(dǎo)數(shù)[25]，重點(diǎn)考慮了空化初生和發(fā)展時(shí)空泡體積變化的影響，適于模擬離心泵云空化的非定常特性。Kubota空化模型是基于輸運(yùn)方程，即

式中fv——汽相質(zhì)量分?jǐn)?shù)Re——液相蒸發(fā)速率Rc——汽相凝結(jié)速率Rb——簡(jiǎn)化汽泡半徑pv——飽和蒸汽壓力αnuc——?dú)夂梭w積分?jǐn)?shù)Ce、Cc——蒸發(fā)和凝結(jié)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)

前人研究經(jīng)工作驗(yàn)證[26]，上述經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的合理取值為：Rb=1×10-6m；αnuc=5×10-4；Ce=50；Cc=0.01。

3 邊界條件給定

采用商用代碼ANSYS CFX 15.0全隱式耦合技術(shù)對(duì)方程組進(jìn)行求解，修改的SSTk-ω湍流模型通過(guò)CFX二次開(kāi)發(fā)嵌入程序，計(jì)算模型邊界條件為入口設(shè)置成總壓進(jìn)口，出口設(shè)置成質(zhì)量流量出口，系統(tǒng)參考?jí)毫υO(shè)置為0 Pa，空化臨界壓力取常溫下(25℃)純水飽和蒸汽壓力(3 169 Pa)，固壁面邊界設(shè)置成無(wú)滑移壁面。

定常計(jì)算中動(dòng)靜交界面設(shè)置為凍結(jié)轉(zhuǎn)子，將收斂的定常計(jì)算結(jié)果作為非定常計(jì)算的初始場(chǎng)，非定常計(jì)算中動(dòng)靜交界面設(shè)置為瞬態(tài)凍結(jié)轉(zhuǎn)子，時(shí)間步長(zhǎng)Δt取0.001 s，即葉輪每旋轉(zhuǎn)3°為1個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)，總計(jì)算步數(shù)為240步，即葉輪旋轉(zhuǎn)2圈，并取第2個(gè)旋轉(zhuǎn)周期的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行非定常特性分析。求解過(guò)程中控制方程的對(duì)流離散型采用二階高精度格式，時(shí)間項(xiàng)離散格式為二階后向歐拉差分格式，庫(kù)朗數(shù)下限設(shè)為0.5，上限設(shè)為1以加快每一時(shí)間步數(shù)的收斂，將最大殘差作為求解收斂的判別標(biāo)準(zhǔn)，收斂精度設(shè)置為10-4。

本次計(jì)算通過(guò)降低進(jìn)口壓力使離心泵流道內(nèi)發(fā)生空化，比較有、無(wú)障礙物時(shí)的內(nèi)部空化形態(tài)，以及對(duì)流場(chǎng)壓力脈動(dòng)的影響，分析其抑制效果與機(jī)理。

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 外特性實(shí)驗(yàn)對(duì)比

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，在蘭州理工大學(xué)離心泵閉式實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行離心泵外特性實(shí)驗(yàn)，圖3(圖中Q0表示設(shè)計(jì)流量)為不同流量工況下葉片有、無(wú)障礙物性能模擬值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比曲線。

圖3 外特性曲線Fig.3 Curves of external performance

在流體機(jī)械領(lǐng)域，常用無(wú)量綱空化數(shù)σ表述空化發(fā)生的可能性，其定義為

其中

式中p1——基準(zhǔn)靜壓力，采用泵進(jìn)口壓力，PaU——基準(zhǔn)速度，采用葉輪葉片進(jìn)口邊與前蓋板交點(diǎn)處的圓周速度，m/s

n——軸轉(zhuǎn)速，r/min

D1——葉輪葉片進(jìn)口邊與前蓋板交點(diǎn)處的直徑，m

圖4為葉片在有、無(wú)障礙物條件下空化數(shù)σ與揚(yáng)程的計(jì)算結(jié)果對(duì)比曲線。

圖4 汽蝕特性曲線Fig.4 Curves of cavitation performance

圖3可以看出無(wú)障礙物時(shí)模擬值與實(shí)驗(yàn)值吻合較好，與模擬值比較，增加障礙物后揚(yáng)程下降在5%以內(nèi)，對(duì)效率影響較小，下降在3%以內(nèi)。設(shè)計(jì)點(diǎn)揚(yáng)程相差3%，效率相差1.2%。

由圖4可以看出增加障礙物后對(duì)揚(yáng)程的影響，對(duì)空化初生無(wú)明顯影響，揚(yáng)程斷裂時(shí)，無(wú)障礙物時(shí)H=2.60 m，有障礙物時(shí)H=3.71 m，提高29.7%，抑制效果明顯。

4.2 障礙物對(duì)湍動(dòng)能分布影響

圖5為不同空化數(shù)下，葉輪中間截面湍動(dòng)能等值線圖，上圖為不加障礙物時(shí)湍動(dòng)能分布，下圖為加障礙物時(shí)湍動(dòng)能分布。

圖5 湍動(dòng)能分布Fig.5 Turbulence kinetic energy distributions

圖6 絕對(duì)壓力分布Fig.6 Absolute pressure distributions

湍流流動(dòng)具有動(dòng)量大且傳遞快的特點(diǎn)。葉片表面障礙物能夠增加近壁面流場(chǎng)湍動(dòng)能，從而使轉(zhuǎn)捩提前發(fā)生，減少分離引起的壓差阻力，使壓力梯度變大，從而對(duì)空化產(chǎn)生抑制作用。如圖5a所示，障礙物對(duì)空化初生湍動(dòng)能分布無(wú)明顯影響。當(dāng)空化發(fā)展到一定長(zhǎng)度，障礙物前后壁面湍動(dòng)能影響顯著增大，如圖5b、5c所示?？栈耆l(fā)展時(shí)，障礙物對(duì)湍動(dòng)能的影響趨向最大化，抑制效果最明顯，如圖5d所示。

4.3 障礙物對(duì)壓力分布影響

圖6為不同空化數(shù)下，葉輪中間截面絕對(duì)壓力等值線圖，上圖為不加障礙物時(shí)壓力分布，下圖為加障礙物時(shí)壓力分布。

空化發(fā)生時(shí)，低壓區(qū)向葉輪出口擴(kuò)張是使離心泵內(nèi)空化發(fā)展的主因。葉片表面障礙物誘發(fā)了葉片表面附近相對(duì)高壓區(qū)和較大的逆壓梯度，壓力分布的變化會(huì)導(dǎo)致空泡形態(tài)的改變，因此加障礙物以后引起的壓力和壓力梯度的變化是產(chǎn)生抑制作用的重要因素。障礙物對(duì)空化初生的壓力分布無(wú)明顯影響，如圖6a所示?？栈l(fā)展時(shí)，障礙物使流道內(nèi)逆壓梯度增大，在葉片工作面障礙物附近形成了相對(duì)高壓區(qū)域，有效阻止了低壓區(qū)域向外擴(kuò)張，如圖6b～6d所示。

4.4 障礙物對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)影響

圖7為不同空化數(shù)下，空泡在最終時(shí)刻的體積分?jǐn)?shù)(αv=10%)等值面及中間截面流線在有、無(wú)障礙物時(shí)的比較，左側(cè)為無(wú)障礙物時(shí)流場(chǎng)圖，右側(cè)為有障礙物時(shí)流場(chǎng)圖。

如圖7a所示，空化初生時(shí)，障礙物可以優(yōu)化流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，削弱靠近葉片背面的漩渦強(qiáng)度，對(duì)靠近隔舌區(qū)域的葉片工作面和背面作用效果明顯，對(duì)空泡形態(tài)并無(wú)較大影響。圖7b為空化發(fā)展時(shí)，空泡形態(tài)呈現(xiàn)出云空化的脫落特征，障礙物梳理了空化發(fā)展時(shí)的紊亂流場(chǎng)，削弱漩渦強(qiáng)度使流場(chǎng)更具流線型，無(wú)障礙物時(shí)空泡具有脫落特征，障礙物有效抑制了空泡的脫落。圖7c、7d顯示當(dāng)空泡徑向尺度發(fā)展到障礙物位置時(shí)，由障礙物誘發(fā)的高壓區(qū)和增大的湍動(dòng)能共同作用導(dǎo)致了空泡形態(tài)的變化。

圖7 空泡形態(tài)及流線Fig.7 Cavity patterns and streamlines

4.5 障礙物對(duì)空泡體積影響

葉輪內(nèi)空泡體積Vcav定義為

空泡體積增長(zhǎng)速度Ve定義為

式中N——葉輪內(nèi)總控制單元數(shù)αv，i——每個(gè)控制單元內(nèi)汽相體積分?jǐn)?shù)Vi——每個(gè)控制單元體積，mm3

在一個(gè)葉輪旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，空泡體積及體積增長(zhǎng)隨時(shí)間變化如圖8所示。

圖8 空泡體積與空泡體積增長(zhǎng)速度圖Fig.8 Diagrams of cavity volume and its growth rate

由圖8a可知空化數(shù)σ=0.82時(shí)，加障礙物后在整個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)汽泡體積明顯減小，增長(zhǎng)和衰減交替變化，體積增減趨勢(shì)有無(wú)障礙物基本一致。由圖8b可知空化數(shù)σ=0.24時(shí)，兩種情況體積均表現(xiàn)出先衰減后增長(zhǎng)趨勢(shì)，衰減階段有障礙物流道空泡體積均小于無(wú)障礙物時(shí)空泡體積，有障礙物空泡體積變化速度相較無(wú)障礙物更為穩(wěn)定。 由圖8c可知空化數(shù)σ=0.15時(shí)，加障礙物后空泡體積在整個(gè)周期內(nèi)都小于無(wú)障礙物時(shí)的空泡體積，體積均呈現(xiàn)衰減趨勢(shì)且有障礙物時(shí)衰減速度更快。由圖8d可知空化數(shù)σ=0.09時(shí)，加障礙物后空泡體積在整個(gè)周期內(nèi)都小于無(wú)障礙物時(shí)的空泡體積，無(wú)障礙物時(shí)，空泡體積穩(wěn)定增長(zhǎng)，有障礙物時(shí)空泡體積持續(xù)衰減。由障礙物誘發(fā)的葉片壁面附近相對(duì)高壓區(qū)和增大的湍動(dòng)能共同作用抑制了葉輪內(nèi)空泡體積的增長(zhǎng)。

4.6 障礙物對(duì)內(nèi)部流動(dòng)瞬態(tài)特性影響

障礙物的存在對(duì)流場(chǎng)內(nèi)部造成了擾動(dòng)，影響了流動(dòng)的瞬態(tài)特性，圖9為對(duì)流道內(nèi)部及隔舌處監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)做快速傅里葉變換，從壓力頻譜角度分析障礙物對(duì)內(nèi)部流動(dòng)瞬態(tài)特性影響。圖10為各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在有、無(wú)障礙物時(shí)的主頻幅值比較。

圖9 壓力頻譜Fig.9 Pressure frequency spectra

圖10 壓力主頻幅值Fig.10 Amplitudes of dominate frequency of pressure

圖9為壓力脈動(dòng)時(shí)域數(shù)據(jù)通過(guò)快速傅里葉變換得到的壓力脈動(dòng)頻域分布圖。本文中葉輪轉(zhuǎn)速n=500 r/min，軸頻為8.3 Hz，葉輪葉片數(shù)z=6，則葉片通過(guò)頻率(即葉頻)為50 Hz。從圖9中可以看出，脈動(dòng)主頻為50 Hz，障礙物并不改變?cè)诓煌栈瘮?shù)下不同位置處的壓力脈動(dòng)頻率分布。圖10顯示障礙物對(duì)不同空化數(shù)的主頻幅值影響，如圖10a、10b所示，在空化初生及發(fā)展階段，障礙物對(duì)流場(chǎng)造成了擾動(dòng)，壓力脈動(dòng)頻率有較小幅度增大；如圖10c所示，障礙物使流道內(nèi)和隔舌處的壓力脈動(dòng)幅值均有明顯減低作用，當(dāng)空泡尺度發(fā)展到障礙物位置時(shí)(圖7c)，障礙物既可以起到抑制空化效果，同時(shí)降低壓力脈動(dòng)主頻幅值，可以對(duì)空化流誘發(fā)的振動(dòng)、噪聲、磨損等產(chǎn)生抑制作用，對(duì)流場(chǎng)優(yōu)化產(chǎn)生最佳效果；圖10d中有障礙物時(shí)的主頻幅值略大于無(wú)障礙物時(shí)主頻幅值，此時(shí)空泡完全發(fā)展，如圖7d所示附著整個(gè)流道，空泡區(qū)形成了較為穩(wěn)定的區(qū)域，空泡徑向尺度遠(yuǎn)大于障礙物徑向位置，障礙物的存在會(huì)使高壓區(qū)向流道內(nèi)部區(qū)域擴(kuò)張，使空泡潰滅，起到抑制空化的效果，但是壓力脈動(dòng)變得較為劇烈。

5 結(jié)論

(1)葉片表面加障礙物后，會(huì)使離心泵在各個(gè)工況下?lián)P程有所降低，降低在5%以內(nèi)，效率降低在3%以內(nèi)，在設(shè)計(jì)點(diǎn)揚(yáng)程下降3%，效率下降1.2%。發(fā)生空化時(shí)，對(duì)空化初生揚(yáng)程無(wú)較大影響，相同空化數(shù)下，對(duì)斷裂點(diǎn)揚(yáng)程影響較大，提高近30%，對(duì)于在空化狀態(tài)下運(yùn)行的離心泵具有重要意義。

(2)對(duì)于空化初生及發(fā)展階段，障礙物對(duì)靠近葉片背面的漩渦強(qiáng)度削弱作用明顯，可以對(duì)云空泡脫落起到明顯的抑制作用，空泡徑向發(fā)展到障礙物位置后，障礙物引起的周圍流場(chǎng)高壓區(qū)和增大的湍動(dòng)能抑制了空泡增長(zhǎng)。

(3)在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，對(duì)于空化初生階段，障礙物使空泡體積明顯減小，空泡發(fā)展階段，障礙物減小空泡體積的同時(shí)使空泡體積以更快的速度衰減，空泡完全發(fā)展階段，無(wú)障礙物時(shí)，空泡體積穩(wěn)定增長(zhǎng)，有障礙物時(shí)，空泡體積持續(xù)衰減。

(4)空化初生階段，障礙物抑制空化的同時(shí)，會(huì)對(duì)流場(chǎng)造成擾動(dòng)，增強(qiáng)流道內(nèi)及隔舌處壓力脈動(dòng)主頻幅值，增幅較??；當(dāng)空泡徑向發(fā)展到障礙物位置時(shí)，抑制空化的同時(shí)減低壓力脈動(dòng)主頻幅值，可以有效抑制空化流動(dòng)誘發(fā)的流場(chǎng)非定常特性，效果最優(yōu)；空泡完全發(fā)展時(shí)，障礙物抑制效果明顯，對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)使壓力脈動(dòng)主頻幅值變大。

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EffectofSurface-fittedObstacleinCentrifugalPumponCavitationSuppression

ZHAO Weiguo1,2ZHAO Guoshou1XIAN Lixia1HAN Xiangdong1

(1.CollegeofEnergyandPowerEngineering，LanzhouUniversityofTechnology，Lanzhou730050，China2.KeyLaboratoryofFluidMachineryandSystem，GansuProvince,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou730050，China)

Centrifugal pumps are widely used to deliver liquid media in agriculture, pharmacy, industry, petrochemical industry, etc. Compared with the case delivering pure liquid such as water, centrifugal pumps not only have lower efficiency but also are subject to severe vibration, noise and erosion when delivering cavity two-phase flow, leading to the deterioration of flow field and even the shortage of service life. The cavitation flow in centrifugal pump performs strong instabilities, thus a method of a tiny obstacle fitted on the blade surface was proposed to suppress the cavitation development on ans=32 model pump. The unsteady cavitation flow varied with cavitation number in centrifugal pump was simulated by modified SSTk-ωturbulence model combined with Kubota cavitation model. The results showed that the head of centrifugal pump with obstacle was decreased within 5% at various flow rate and within 3% at design point, the efficiency was decreased within 3% at various flow rate and 1.2% at design point, the head with obstacle was great improved when cavitation flow developed. The obstacle can enhance the turbulent kinetic energy near the blade wall and reset the absolute pressure distribution, which can suppress the cavitation at different stages in centrifugal pump. The obstacle can optimize the flow structure and degrade the vortex intensity near the suction side of blade especially the area close to the tongue. The obstacle can decrease the cavity volume at varied cavitation number and the cavity volume keep attenuating when cavitation developed. The obstacle can cause small magnitude of the disturbance on the pressure frequency spectrum. The effects of cavitation suppression were optimal when the bubbles reached close to the obstacle.

centrifugal pump； obstacle； cavitation suppression； numerical simulation

TH311

A

1000-1298(2017)09-0111-10

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.09.014

2017-01-05

2017-02-15

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51269011)

趙偉國(guó)(1979—)，男，副教授，主要從事水力機(jī)械流動(dòng)理論及空化多相流研究，E-mail: zhaowg@zju.edu.cn