導葉式離心泵內(nèi)部流場數(shù)值模擬與試驗

江 偉 李 挺 王玉川 陳帝伊 李國君

(1.西北農(nóng)林科技大學水利與建筑工程學院， 陜西楊凌 712100; 2.西安交通大學熱流科學與工程教育部重點實驗室， 西安 710049)

導葉式離心泵內(nèi)部流場數(shù)值模擬與試驗

江 偉1李 挺1王玉川1陳帝伊1李國君2

(1.西北農(nóng)林科技大學水利與建筑工程學院， 陜西楊凌 712100; 2.西安交通大學熱流科學與工程教育部重點實驗室， 西安 710049)

導葉式離心泵應(yīng)用范圍越來越廣泛，迫切需對其穩(wěn)定性運行及內(nèi)部非穩(wěn)態(tài)流動機理等相關(guān)問題進行探討與研究。結(jié)合數(shù)值軟件ANSYS-CFX與試驗方法，基于SSTk-ω湍流模型對導葉式離心泵內(nèi)部非定常流場進行數(shù)值分析，并采用試驗方法對其壓力脈動特性進行研究，探討不同流量工況下，壓力脈動特性與非穩(wěn)態(tài)流場分布規(guī)律。結(jié)果表明：導葉進口處壓力脈動高于導葉出口處，而蝸殼隔舌處脈動強度小于其出口處；葉輪內(nèi)壓力分布主要受葉輪-導葉動靜干涉作用影響；導葉內(nèi)壓力分布同時受動靜干涉作用和蝸殼不對稱幾何形狀影響；因葉輪出口尾跡流-射流影響，葉片出口附近出現(xiàn)吸力面靜壓大于壓力面；由于導葉前緣與葉輪尾緣的影響，導葉葉片進口處壓力分布極其復(fù)雜，規(guī)律性較差。

導葉式離心泵； 壓力脈動； 非穩(wěn)態(tài)流場； 數(shù)值模擬

引言

導葉是離心泵中重要的過流部件，廣泛應(yīng)用于多級或單級離心泵中，其中在多級離心泵中導葉主要起壓力回收及引流作用，而在單級離心泵中，除上述作用外，導葉還可降低作用于葉輪上徑向力。隨著社會進步和科學技術(shù)的發(fā)展，導葉式離心泵的水力性能、運行穩(wěn)定性及可靠性越來越受重視。

因?qū)~結(jié)構(gòu)因素，與普通離心泵相比，尤其在偏離設(shè)計工況時，導葉式離心泵中葉輪、導葉及蝸殼內(nèi)均會出現(xiàn)劇烈的湍流流動，并對水泵的水力性能產(chǎn)生較大的影響[1-3]。在較小流量工況時，導葉式離心泵揚程曲線易出現(xiàn)駝峰，且進一步減小流量時，由于葉輪進口處劇烈的非定常湍流流動，可能導致葉輪進口前蓋板附近區(qū)域出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)汽蝕現(xiàn)象，此現(xiàn)象會隨著流量逐漸降低而加劇，且逐漸向靠近葉輪進口處的輪轂附近遷移，同時，旋轉(zhuǎn)汽蝕位置的移動會導致泵內(nèi)能量變化，進而使流量揚程曲線在此處出現(xiàn)正斜率，即部分載荷旋流[4-5]。因此認識導葉式離心泵內(nèi)部非穩(wěn)態(tài)流動機理有利于離心泵的穩(wěn)定可靠運行。

目前國內(nèi)外許多學者主要集中于離心泵導葉結(jié)構(gòu)的研究，尤其針對多級離心泵[6-11]，而對于單級離心泵中導葉形式或多級離心泵末級導葉結(jié)構(gòu)及導葉內(nèi)部非定常流動研究較少。桂紹波等[12]、張永學等[13]研究前置導葉對混流泵水力性能與空化性能的影響，結(jié)果表明通過適當?shù)恼{(diào)整前置導葉預(yù)選角可提高離心泵的水力性能與空化性能。隨后曹樹良等[14]提出一種三維前置導葉水力設(shè)計方法，改進了傳統(tǒng)二維翼型前置導葉的不足。周邵萍等[14]基于DES數(shù)值模擬方法對多級離心泵導葉內(nèi)部流動損失進行分析，并在此基礎(chǔ)上運用葉輪設(shè)計方法對反導葉進行重新設(shè)計。曹衛(wèi)東等[15]、李紅等[16]、徐磊等[17]運用數(shù)值模擬預(yù)測了離心泵中關(guān)鍵點的壓力脈動幅值與頻率，表明葉輪與導葉的動靜干擾使葉輪出口流場產(chǎn)生壓力脈動。李偉等[18]、施衛(wèi)東等[19]、周嶺等[20]結(jié)合試驗與數(shù)值模擬方法對多級離心泵軸向力進行預(yù)測，表明數(shù)值模擬方法可較準確地預(yù)測泵中軸向力分布。一些學者運用數(shù)值模擬與試驗方法分析時序效應(yīng)對導葉式離心泵性能影響[21-23]。

導葉式離心泵結(jié)構(gòu)相對比較復(fù)雜，一方面難以通過試驗對各過流部件內(nèi)的流場壓力進行測量，另一方面影響導葉式離心泵內(nèi)部壓力脈動特性的因素，如葉輪、導葉、蝸殼等多重因素，與渦殼式離心泵相比，其內(nèi)部非定常受力特性研究總體并不充分。本文采用試驗與ANSYS-CFX數(shù)值模擬方法對導葉式離心泵內(nèi)部非穩(wěn)態(tài)流動特性進行分析，重點試驗分析導葉與蝸殼內(nèi)的壓力脈動特性、數(shù)值分析各過流部件內(nèi)部非定常流場，以期為導葉式離心泵運行穩(wěn)定性與設(shè)計提供理論依據(jù)與參考。

1 基本參數(shù)與數(shù)值模型

導葉式離心泵基本參數(shù)：流量Q=40 m3/h，揚程H=60 m，轉(zhuǎn)速n=2 900 r/min，比轉(zhuǎn)數(shù)Ns=53。設(shè)計參數(shù)：葉輪外徑D2=223 mm，葉輪葉片出口寬度b2=8 mm，葉輪葉片數(shù)Z1=6；導葉進口直徑D3=228 mm，導葉葉片寬度b3=10 mm，導葉出口直徑D4=283 mm，導葉葉片數(shù)Z2=5；蝸殼基圓直徑D5=284 mm，蝸殼進口寬度b4=19 mm。

采用ICEM對模型泵進行前處理得到結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，如圖1所示，其中葉輪、導葉與蝸殼網(wǎng)格單元數(shù)分別為448 761、385 337、531 295。湍流模型采用SSTk-ω模型，穩(wěn)態(tài)數(shù)值計算邊界條件采用壓力進口，質(zhì)量流量出口邊界條件，壁面無滑移邊界條件。以穩(wěn)態(tài)計算作為瞬態(tài)數(shù)值計算的初始條件，葉輪每轉(zhuǎn)過3°為一時間步，其時間步長0.000 172 414 s，1個周期迭代120步，迭代6個周期，選最后一周期進行流場分析。

圖1 計算域網(wǎng)格Fig.1 Grids of computation domain1.葉輪 2.導葉 3.蝸殼

2 試驗

圖2給出了試驗?zāi)Ｐ捅脦缀谓Y(jié)構(gòu)與壓力脈動監(jiān)測點布置。試驗?zāi)Ｐ捅弥腥~輪、導葉、蝸殼采用有機玻璃3D打印技術(shù)加工制造，導葉采用6個銷釘均勻固定在支架上?？紤]有機玻璃材料強度因素，所有所需測試參數(shù)(揚程、功率、效率、壓力脈動等)都在轉(zhuǎn)速1 450 r/min下進行測試。采用JN338 型扭矩傳感器(北京三晶有限公司)對扭矩進行測量，其誤差為±0.2%；運用日本橫河AE215型流量計測量試驗回路流量，測量誤差為±0.5%；采用日本橫河EJA510A 型壓力傳感器對模型泵進出口壓力進行測量，測量誤差為±0.075%。

為了分析導葉流道及蝸殼隔舌不穩(wěn)定流場與壓力脈動之間的關(guān)系，分別在導葉流道內(nèi)設(shè)置2個監(jiān)測點、在蝸殼隔舌附近設(shè)置2個監(jiān)測點，共取4個監(jiān)測點，分別為P1～P4，其中P1、P2分別位于導葉流道中段附近、導葉出口附近，P3、P4分別位于蝸殼隔舌、蝸殼出口附近，如圖2所示。

圖2 試驗?zāi)Ｐ捅脦缀谓Y(jié)構(gòu)與壓力脈動監(jiān)測點布置Fig.2 Geometrical structure of test pump and layout of pressure fluctuation monitoring points1.葉輪 2.導葉 3.銷釘 4.支架 5.蝸殼

圖3(Qdes表示設(shè)計流量)給出了不同流量工況下不同監(jiān)測點壓力脈動時域分布。由圖3可知，1個葉輪旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)(T=0.041 s)，各監(jiān)測點壓力脈動波動均呈現(xiàn)出周期性，即6個明顯的波峰與波谷。由監(jiān)測點P1、P2壓力脈動對比可知，監(jiān)測點P1壓力脈動周期性規(guī)律較差，壓力脈動幅值較高，波動較劇烈，產(chǎn)生此現(xiàn)象主要原因可能由于導葉前緣與葉輪尾緣影響，即葉輪尾跡流-射流影響，使導葉進口處流場不均勻，存在局部回流等流動不穩(wěn)定現(xiàn)象，從而導致監(jiān)測點P1壓力脈動幅值較大。由監(jiān)測點P3、P4壓力脈動對比可知，位于蝸殼隔舌附近監(jiān)測點P3壓力脈動周期性規(guī)律較好，壓力脈動幅值較小，主要原因可能由于蝸殼隔舌存在擾流作用，盡管蝸殼較小過流斷面處回流流體與導葉出口流體在蝸殼隔舌附近相互撞擊，但由于隔舌擾流因素，使蝸殼下游，尤其位于蝸殼出口壁面附近區(qū)域可能存在較大旋渦，出現(xiàn)流動不穩(wěn)定等現(xiàn)象，從而導致監(jiān)測點P4壓力脈動幅值較大。

圖3 不同流量工況下不同監(jiān)測點壓力脈動時域分布Fig.3 Pressure fluctuations of different monitoring points under different flow conditions

圖4給出了不同流量工況下不同監(jiān)測點壓力脈動頻譜分析。由圖4可知，導葉內(nèi)監(jiān)測點P1與蝸殼內(nèi)各監(jiān)測點P3、P4在各流量工況下壓力脈動的主頻率均為葉片通過頻率(144.6 Hz)；導葉出口附近監(jiān)測點P3高階諧波幅值很小，且壓力脈動的主頻為軸頻(24.1 Hz)。由監(jiān)測點P1、P2對比可知，P1葉頻與軸頻處壓力脈動幅值大于P2的相應(yīng)值，而蝸殼內(nèi)監(jiān)測點P3葉頻與軸頻處壓力脈動幅值小于P4相應(yīng)值。導葉內(nèi)各監(jiān)測點P1、P2壓力脈動幅值隨著流量增加而降低，但蝸殼內(nèi)各監(jiān)測點P3、P4在0.625倍設(shè)計流量工況與1.270倍設(shè)計流量工況附近時壓力脈動幅值最大，在設(shè)計流量工況附近時幅值最小，產(chǎn)生此類現(xiàn)象主要原因可能為當偏離設(shè)計工況時，蝸殼隔舌附近區(qū)域液流角發(fā)生變化，沿著隔舌擴散段方向會因此出現(xiàn)分離旋渦，此分離旋渦可能導致壓力脈動幅值增加。

圖4 不同流量工況下不同監(jiān)測點壓力脈動頻譜分布Fig.4 Frequency spectra distributions of pressure fluctuation under different flow conditions

圖5給出了不同流量工況不同監(jiān)測點軸頻與葉頻處壓力脈動幅值。由圖5可知，導葉內(nèi)監(jiān)測點P1、P2與蝸殼內(nèi)監(jiān)測點P3在葉頻處壓力脈動幅值隨著流量的增加而幾乎不變，蝸殼內(nèi)監(jiān)測點P4葉頻處壓力脈動幅值在偏離設(shè)計工況(Q/Qdes=0.625、Q/Qdes=1.270)時較大，在設(shè)計工況附近時脈動幅值最小，產(chǎn)生此類現(xiàn)象主要原因可能為當偏離設(shè)計工況時，蝸殼隔舌附近液流角發(fā)生變化，從而導致隔舌下游即蝸殼擴散段區(qū)域出現(xiàn)旋渦，進而促進壓力脈動增加。監(jiān)測點P1、P3、P4葉頻處壓力脈動幅值明顯高于軸頻處脈動幅值，即主頻為葉頻，而監(jiān)測點P2處主頻為軸頻。

圖5 不同工況監(jiān)測點軸頻與葉頻處壓力脈動幅值Fig.5 Pressure fluctuation of monitoring points at shaft-frequency and blade-frequency under different conditions

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 數(shù)值分析驗證

圖6 導葉式模型離心泵數(shù)值模擬與試驗對比Fig.6 Comparison of numerical and experimental results

圖6給出了模型泵數(shù)值模擬與試驗結(jié)果對比。由于試驗在1 450 r/min轉(zhuǎn)速下進行，故在進行數(shù)值模擬結(jié)果驗證時，對其數(shù)值模擬也在1 450 r/min條件下進行。由圖6a可知，模型泵最高效率并不在設(shè)計工況點，而處于0.95倍流量工況，由此可知，導葉喉部面積可能偏小，導致最高效率向較小流量偏移。數(shù)值模擬外特性曲線與試驗曲線吻合較好，尤其在設(shè)計流量工況附近，數(shù)值模擬中揚程及效率與試驗誤差在5%以內(nèi)，表明數(shù)值模擬存在一定的準確性，但在0.6倍流量工況及1.4倍流量工況時，數(shù)值模擬與試驗值誤差偏大，產(chǎn)生此類現(xiàn)象主要原因可能為：遠偏離設(shè)計工況時，離心泵存在劇烈的湍流、回流等現(xiàn)象及湍流模型在局部區(qū)域存在劇烈湍流評估等。由圖6b可知，數(shù)值模擬壓力脈動時域曲線分布趨勢與試驗類似，即因動靜干涉作用影響，壓力脈動系數(shù)呈現(xiàn)出周期性波動，且其數(shù)值模擬結(jié)果略低于試驗值，表明監(jiān)測點P3壓力脈動時域分布與試驗值吻合較好，由此進一步說明數(shù)值分析的準確性。

3.2 內(nèi)部流場分析

圖7分別給出了設(shè)計流量工況時不同時刻葉輪、導葉及蝸殼中截面靜壓分布，其中1～6表示葉輪葉片，a～e表示導葉葉片，t1時刻葉輪葉片1的尾緣位于導葉葉片a的前緣，t2時刻葉輪葉片2的尾緣位于導葉葉片b的前緣，t3時刻葉輪葉片3的尾緣位于導葉葉片c的前緣。由圖7a可知，因動靜干涉作用，不同時刻各葉輪流道靜壓分布不同，當葉輪葉片靠近導葉前緣時，對應(yīng)的此葉輪流道出口靜壓最大且高壓區(qū)較寬。因?qū)~前緣影響，靠近葉輪流道出口壓力面區(qū)域出現(xiàn)較大靜壓，梯度變化較大，吸力面處靜壓較小，分布均勻，說明葉輪壓力面受動靜干涉作用影響較大，葉片出口壓力面與吸力面存在較大壓差，可能使葉輪承受較大作用力而導致葉輪振動變大。

圖7 設(shè)計流量工況時不同時刻過流部件中截面靜壓分布Fig.7 Static pressure distributions in flow passage components under design conditions

由圖7b可知，在離心泵中導葉主要起擴壓作用，導葉進口處出現(xiàn)低壓區(qū)，出口呈現(xiàn)高壓區(qū)。由于受蝸殼幾何形狀不對稱的影響，導葉各流道靜壓沿葉輪旋轉(zhuǎn)方向逐漸降低，從而導致葉輪各流道出口壓力分布不對稱，由此可能導致葉輪徑向力的產(chǎn)生。在整個導葉流道中，因受導葉前緣與葉輪尾緣的共同影響，導葉進口處壓力分布最復(fù)雜：靠近導葉前緣吸力面與葉輪尾緣壓力面區(qū)域出現(xiàn)局部低壓，梯度變化較大，說明導葉前緣吸力面與葉輪尾緣壓力面對導葉進口段壓力分布影響較明顯。

由圖7c可知，當葉輪葉片逐漸靠近蝸殼隔舌時，位于蝸殼隔舌附近高壓區(qū)在逐漸增大，說明盡管蝸殼隔舌遠離葉輪，蝸殼內(nèi)流場不僅受葉輪-導葉動靜干涉作用影響，而且葉輪-蝸殼隔舌動靜干涉作用對蝸殼隔舌附近流場存在一定影響。蝸殼隔舌附近與較小過流斷面處靜壓最大、分布均勻，蝸殼較大過流斷面處靜壓最小、梯度變化較大。位于導葉尾緣壓力面區(qū)域出現(xiàn)局部低壓，梯度變化較大，因此導葉尾緣壓力面對蝸殼進口局部壓力影響大于吸力面。

圖8 不同流量工況下葉輪出口中截面沿圓周方向的瞬時與平均壓力分布Fig.8 Instantaneous and average pressures distributions of impeller outlet under different flow conditions

圖8給出了不同流量工況下不同時刻葉輪出口中截面沿圓周方向的瞬時壓力、平均壓力分布。由圖8可知，不同流量工況、同一時刻葉輪出口瞬時壓力隨著流量增加而減小，且葉輪各流道壓力對稱性分布逐漸趨于穩(wěn)定，由此可說明葉輪各流道壓力不對稱現(xiàn)象是導致葉輪徑向力產(chǎn)生的主要原因，且隨著流量增加，作用于葉輪上徑向力可能降低。相同流量工況、不同時刻瞬時壓力分布趨勢類似：由于動靜干涉作用影響，壓力波峰位于導葉前緣壓力面，波谷位于導葉前緣吸力面；葉輪尾緣壓力面出現(xiàn)局部低壓，吸力面呈現(xiàn)局部高壓，因此導葉前緣吸力面與葉輪尾緣壓力面對葉輪出口靜壓分布影響較大，受動靜干涉作用影響較明顯。

不同流量時，平均壓力分布均勻，各流道壓力呈現(xiàn)較好對稱性，但葉輪各流道瞬時壓力對稱性較差，由此可明確說明葉輪出口壓力分布主要受葉輪-導葉動靜干涉作用影響，從而使其葉輪出口壓力時刻改變，各流道壓力不對稱，說明葉輪-導葉動靜干涉作用是葉輪徑向力產(chǎn)生的主要因素，而蝸殼不對稱幾何形狀是次要因素。

圖9給出了不同流量工況下不同時刻導葉進口中截面沿圓周方向的瞬時壓力、平均壓力分布。由圖9可知，同一時刻，隨著流量增加，導葉各流道壓力分布逐漸趨于對稱。導葉進口圓周方向壓力共同受動靜干涉作用與蝸殼幾何形狀影響：同一流量工況、不同時刻瞬時靜壓波谷位于導葉前緣吸力面，波峰位于導葉前緣壓力面，由此可知導葉吸力面受動靜干涉影響較明顯；位于葉輪葉片尾緣壓力面區(qū)域出現(xiàn)局部低壓，且隨著葉輪旋轉(zhuǎn)而向前移動，表明葉輪葉片壓力面對導葉進口區(qū)域靜壓影響大于吸力面。

圖9 不同流量工況下導葉進口中截面沿圓周方向的瞬時與平均壓力分布Fig.9 Instantaneous and average pressures distributions of diffuser inlet under different flow conditions

導葉各流道進口平均壓力分布較對稱，但對稱性劣于葉輪各流道壓力對稱性；導葉各流道壓力沿著葉輪旋轉(zhuǎn)方向逐漸降低，而降低幅值較小，表明導葉進口處壓力分布主要受動靜干涉作用影響，而蝸殼不對稱幾何形狀對其影響不明顯。隨著導葉徑向距離的增加，即從導葉進口至出口，導葉各流道平均壓力極其不對稱，受蝸殼不對稱幾何形狀影響越來越明顯，其各流道靜壓沿著蝸殼流道方向逐漸降低(如圖10所示，其中r表示半徑)。

圖10 設(shè)計流量工況t1時刻不同半徑時導葉中截面沿圓周方向的平均壓力分布Fig.10 Average pressure of diffuser at t1 with different radius under design flow rate

圖11 設(shè)計流量工況下t1時刻不同葉片載荷Fig.11 Different blade loadings at t1 under design flow rate

圖11給出了設(shè)計流量工況下t1時刻葉輪與導葉各葉片載荷分布。由圖11可知，葉輪中各葉片靜壓分布相似，葉片吸力面靜壓均小于壓力面。因動靜干涉作用與導葉前緣影響，葉輪葉片逐漸靠近導葉前緣時，葉輪表面壓力逐漸增加，即葉片做功增大，壓力面與吸力面靜壓差值逐漸減小(如葉片1、2、3)，說明葉片在流體中受力減小，振動降低，而葉片逐漸遠離導葉前緣時，其差值增加(如葉片4、5、6)，因此葉輪尾緣逐漸遠離導葉前緣時，葉輪內(nèi)流動逐漸不穩(wěn)定，振動較大。葉輪葉片逐漸遠離導葉前緣時，葉片出口吸力面大于壓力面靜壓的位置逐漸向出口移動，當葉片1、2位于導葉葉片a、b前緣附近時，其吸力面大于壓力面靜壓的位置位于葉輪半徑r=0.09 m附近，而葉片3、4、5、6位于葉輪出口，說明葉輪尾緣逐漸靠近導葉前緣時，葉輪出口處流場受射流-尾跡流影響更明顯。

因動靜干涉、導葉前緣影響，導葉各葉片前緣與螺旋段處壓力分布較復(fù)雜，局部出現(xiàn)吸力面靜壓大于壓力面。蝸殼不對稱幾何形狀及蝸殼隔舌對導葉各葉片表面壓力影響較大，當導葉葉片遠離蝸殼隔舌(葉片a、b、c、d)，但逐漸靠近蝸殼較大過流斷面(葉片c、d)時，其螺旋段處吸力面靜壓逐漸逼近壓力面；當葉片位于蝸殼隔舌附近，且位于蝸殼較小過流斷面(葉片e)時，其螺旋段處吸力面處靜壓大于壓力面，且其位置向擴散段偏移，導致以上現(xiàn)象主要原因：導葉葉片尾緣剛好處于蝸殼第一斷面與隔舌附近，蝸殼過流斷面積較小，流出導葉的高速流體與蝸殼中低速流體碰撞而產(chǎn)生旋渦(圖12)，從而導致導葉葉片e中出現(xiàn)旋渦，由此可知導葉葉片與蝸殼隔舌之間的安裝位置對離心泵存在一定影響；流入蝸殼過流斷面的絕對速度因較小或較大蝸殼過流斷面使其方向和大小發(fā)生變化，且此流體與導葉出口的流體相遇時，因速度大小和方向不同產(chǎn)生撞擊，從而影響導葉出口附近的速度與靜壓分布。

圖12 設(shè)計流量工況下t1時刻速度流線分布Fig.12 Velocity streamline distributions at t1 under design flow rate

4 結(jié)論

(1) 因動靜干涉作用影響，導葉式離心泵內(nèi)各監(jiān)測點壓力脈動均呈現(xiàn)周期性變化，其脈動主頻均為葉片通過頻率；導葉進口處壓力脈動高于導葉出口處，由此說明導葉進口處流場受導葉前緣與葉輪尾緣影響及動靜干涉作用影響較大，蝸殼出口處脈動強度大于隔舌附近。

(2)葉輪內(nèi)壓力分布主要受葉輪-導葉動靜干涉作用影響；導葉內(nèi)壓力分布同時受動靜干涉作用和蝸殼不對稱幾何形狀影響，隨著導葉徑向距離增加，蝸殼不對稱幾何形狀影響逐漸增強，葉輪-導葉動靜干涉作用影響逐漸減弱；蝸殼內(nèi)壓力分布同時受葉輪-蝸殼隔舌動靜干涉作用和導葉尾緣影響。

(3)葉輪出口中截面和導葉進口中截面沿圓周方向的壓力主要受葉輪-導葉動靜干涉作用影響，蝸殼不對稱幾何形狀對其影響較小，但隨著導葉徑向距離的增加，蝸殼不對稱幾何形狀對導葉內(nèi)沿圓周方向壓力影響逐漸明顯，即各流道壓力對稱性變差。

(4)隨著流量增加，葉輪葉片和導葉葉片表面壓力在逐漸降低，說明葉輪做功逐漸減??；因葉輪出口尾跡流-射流影響，葉片出口附近出現(xiàn)吸力面靜壓大于壓力面；因?qū)~前緣與葉輪尾緣的影響，導葉葉片進口處壓力分布極其復(fù)雜，規(guī)律性較差。葉輪各葉片的靜壓分布明顯受葉輪-導葉動靜干涉作用影響，當葉片逐漸靠近導葉葉片前緣時，壓力面與吸力面處的壓力差值呈增大趨勢；導葉各葉片的靜壓受蝸殼隔舌影響，使其位于隔舌附近的葉片壓力分布極其復(fù)雜。

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NumericalSimulationandExperimentofFlowFieldinCentrifugalPumpwithVaneDiffuser

JIANG Wei1LI Ting1WANG Yuchuan1CHEN Diyi1LI Guojun2

(1.CollegeofWaterResourcesandArchitecturalEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China2.KeyLaboratoryofThermalFluidScienceandEngineering,MinistryofEducation,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049,China)

With the wide use of vane centrifugal pump, it is urgent to discuss and study its stable operation and internal unsteady flow mechanism and other related issues in depth. The vaned diffuser is an important flow passage component in rotating machines and is widely used in turbines, compressors and pumps. The vaned diffuser applied to the multistage centrifugal pump can convert kinetic energy of liquid to pressure energy, and reduce radial force imposed on impeller in a single centrifugal pump. However, the internal flow in the centrifugal pump with vaned diffuser can be extremely complexity, which will impact the performance and stable operation of the centrifugal pump. From the SSTk-ωturbulence model, numerical analysis of the unsteady flow field inside the centrifugal pump was carried out by using numerical software ANSYS-CFX and experimental method. The pressure pulsation characteristics and unsteady flow field distribution of the centrifugal pump were studied by experimental method. The results showed that the pressure pulsation at the inlet of the guide vane was higher than that at the outlet of the guide vane, and the pulsation strength of the volute was smaller than that at the exit. Impeller pressure distribution was mainly affected by the rotor-stator interaction. The pressure distribution in the guide vane was affected by both rotor-stator interaction and asymmetric geometry of the spiral case; the static pressure of the suction surface near the outlet of the impeller was larger than that of the pressure surface due to the impeller exit wake flow. Because of the influence of the vane leading edge and the trailing edge of the impeller, the pressure distribution at the vane inlet of the guide vane was very complicated and the regularity was poor.

centrifugal pump with vaned diffuser; pressure fluctuation; unsteady flow field; numerical simulation

TH311

A

1000-1298(2017)09-0121-08

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.09.015

2017-01-04

2017-02-22

國家自然科學基金項目(51479173、51509209)和陜西省水利廳項目(2017slkj-5)

江偉(1985—)，男，講師，博士，主要從事流體機械內(nèi)部流動特性研究，E-mail： weijianglut@126.com

陳帝伊(1983—)，男，教授，博士生導師，主要從事水力機械系統(tǒng)穩(wěn)定性與調(diào)控研究，E-mail： nwsuafdychen@163.com