基于黑箱理論的潛水泵導(dǎo)流器葉片數(shù)優(yōu)化研究

魏清順 孫西歡

摘要：為研究導(dǎo)流器葉片數(shù)對潛水泵性能的影響規(guī)律，基于黑箱理論，運(yùn)用Fluent軟件對同一葉輪與不同葉片數(shù)導(dǎo)流器組合后的潛水泵進(jìn)行性能測試與流場仿真計算。通過分析導(dǎo)流器出口靜壓均值、揚(yáng)程和效率，找出其內(nèi)部流場的分布規(guī)律，同時在水泵開式試驗(yàn)臺上實(shí)測。結(jié)果表明：隨著導(dǎo)流器葉片數(shù)的增加，潛水泵的揚(yáng)程和效率都呈遞增趨勢；對于原型潛水泵，水力性能較好的導(dǎo)流器葉片數(shù)閾值區(qū)間為；仿真值與實(shí)測值吻合較好。

關(guān)鍵詞：潛水泵；黑箱理論；仿真；導(dǎo)流器；葉片數(shù)

中圖分類號：TV223

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.07.031

井用潛水泵作為抽取地下水的主要通用設(shè)備，在農(nóng)業(yè)灌溉中被廣泛使用，是灌溉系統(tǒng)首部樞紐的重要組成部分，其性能的好壞直接影響農(nóng)業(yè)灌溉T程的T作效率及其穩(wěn)定性。目前農(nóng)業(yè)灌溉中使用的潛水泵機(jī)組效率普遍不高，水泵性能的有效提升成為亟需解決的現(xiàn)實(shí)問題。

潛水泵中最主要的兩大過流部件是葉輪和導(dǎo)流器。導(dǎo)流器作為能量轉(zhuǎn)換裝置，其結(jié)構(gòu)設(shè)計不但會影響水泵的性能，同時還決定水泵的結(jié)構(gòu)型式。液體在水泵內(nèi)部的流動是通過其外部特性加以反映的，而液體的運(yùn)動狀態(tài)又與過流部件的結(jié)構(gòu)型式和幾何參數(shù)密切相關(guān)。潛水泵水力損失的40%～50%是發(fā)生在導(dǎo)流器內(nèi)部的 ，可見導(dǎo)流器的合理設(shè)計對潛水泵性能的提升有重要影響。

鑒于水泵內(nèi)部流場分布的復(fù)雜性，且受測試技術(shù)手段和成本的限制，利用計算機(jī)軟件模擬流場并對流場實(shí)施優(yōu)化這一方法被廣泛采用。目前，研究人員主要針對離心泵葉輪和蝸殼展開流場計算和特性研究，對于使用導(dǎo)流器的潛水泵內(nèi)部流動研究較少，對導(dǎo)流器和葉輪的適應(yīng)性研究則更少。

筆者基于黑箱理論，運(yùn)用Fluent軟件對同一葉輪與不同葉片數(shù)導(dǎo)流器組合后的潛水泵進(jìn)行性能測試與流場仿真計算。在給定導(dǎo)流器進(jìn)口條件的基礎(chǔ)上，通過分析導(dǎo)流器出口揚(yáng)程、效率和靜壓均值，找出其內(nèi)部流場的分布規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對葉片數(shù)這一結(jié)構(gòu)要素的準(zhǔn)確了解，為改進(jìn)和開發(fā)高性能的潛水泵提供依據(jù)。

1黑箱理論

系統(tǒng)控制論中，將內(nèi)部狀況無法從外部進(jìn)行直接觀測的未知區(qū)域或系統(tǒng)統(tǒng)稱為“黑箱”。黑箱理論的核心思想是自然界中的事物均具有廣泛的相互聯(lián)系，并非絕對獨(dú)立。黑箱系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和參數(shù)變化，可通過分析它的輸入和輸出變量，推測其內(nèi)部復(fù)雜系統(tǒng)的規(guī)律，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對黑箱的掌握與控制?；诤谙淅碚摰摹昂谙溲芯糠ā笔翘剿魑粗挛锏闹匾侄危绕鋵τ趶?fù)雜系統(tǒng)或無法清晰分解的系統(tǒng)研究，該方法提供了一種有效的技術(shù)手段。

潛水泵的性能和應(yīng)用范圍受到其內(nèi)部流場流動狀況的制約，導(dǎo)流器作為潛水泵主要的結(jié)構(gòu)部件直接影響其流場分布，導(dǎo)流器流場特性成為影響潛水泵性能的一個決定性因素。流場分布具有復(fù)雜性，且無法進(jìn)行直接觀測，如何判定導(dǎo)流器內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)的動態(tài)變化是一個典型的黑箱問題。

基于黑箱理論，在給定導(dǎo)流器進(jìn)口變量的基礎(chǔ)上，通過Fluent軟件模擬計算，找出導(dǎo)流器內(nèi)部三維流場的分布規(guī)律，并分析導(dǎo)流器出口變量與進(jìn)口變量的關(guān)系，以此實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)要素影響潛水泵性能的準(zhǔn)確把控。

2導(dǎo)流器內(nèi)流場的仿真

2.1仿真方案及模型構(gòu)建

2.1.1仿真方案

以250QJ125型灌溉用深井潛水泵為研究對象，其比轉(zhuǎn)速ns為244，流量Q為125m^3/h ，單級揚(yáng)程H為16m。在葉輪不變的情況下，選取不同葉片數(shù)的導(dǎo)流器，分析其對潛水泵性能的影響。由無滑移理論可知，導(dǎo)流器性能的優(yōu)劣與其葉片數(shù)量關(guān)系緊密，葉片越多，其性能越好，但設(shè)置過多的葉片會阻礙流體在導(dǎo)流器內(nèi)的流動；相反，葉片較少，則會降低導(dǎo)流器的整體性能，影響其作用的發(fā)揮。因此，確定導(dǎo)流器葉片數(shù)要根據(jù)其他因素進(jìn)行綜合考慮。原型潛水泵中導(dǎo)流器葉片數(shù)為7，為研究葉片數(shù)對潛水泵性能的影響，以葉片數(shù)作為研究變量（分別取5、6、7、8、9、10）進(jìn)行分析，其他主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

2.1.2模型構(gòu)建

應(yīng)用AutoCAD軟件建立包含葉輪和導(dǎo)流器的潛水泵全流道幾何模型，采用非均勻有理B樣條（ Non-Uniform Rational B -Splines，簡稱NURBS）方法控制葉輪、導(dǎo)流器和其他水力部件實(shí)體曲面，再結(jié)合三維操作的拉伸、旋轉(zhuǎn)、鏡像等工具創(chuàng)建三維實(shí)體造型。圖1為潛水泵計算模型。

2.2仿真方法

2. 2.1網(wǎng)格劃分及參數(shù)設(shè)置

針對潛水泵計算模型，采用TrueGrid軟件生成全流道計算網(wǎng)格。為提高計算精度和加速收斂，對葉輪和導(dǎo)流器模型的壁面進(jìn)行細(xì)化處理。與此同時，利用TrueGrid的診斷工具對劃分的網(wǎng)格模型進(jìn)行綜合評價，最終網(wǎng)格扭曲率均低于0.9。

仿真計算時以水為介質(zhì)，采用時均模擬法，選取k-e湍流模型、分離隱式求解器和流場壓力與速度耦合的SIMPLEC算法。具體參數(shù)如下：湍動能k為0.5、耗散率ε為0.3、壓力松弛因子為0.3、速度松弛因子為0.7。對于內(nèi)部動靜部件的數(shù)據(jù)交互選用多參考系模型。

2.2.2進(jìn)口變量設(shè)定

依據(jù)黑箱理論，在分析導(dǎo)流器葉片數(shù)對潛水泵性能影響時，需給定導(dǎo)流器進(jìn)口變量。導(dǎo)流器的進(jìn)口變量是由前端的葉輪出流所決定的，而葉輪出流紊亂且無法直接測量?；诖耍深A(yù)先給定潛水泵葉輪的進(jìn)口變量，通過Fluent軟件計算包含葉輪和導(dǎo)流器的潛水泵全流道三維模型，將模擬計算出的葉輪出流作為導(dǎo)流器的進(jìn)口變量，進(jìn)一步對導(dǎo)流器內(nèi)部三維流場進(jìn)行模擬計算。

潛水泵葉輪的進(jìn)口采用無旋流，其進(jìn)口變量為垂直于進(jìn)口斷面的軸向速度。設(shè)計工況下，潛水泵的進(jìn)口流量為定值，則該速度大小為已知且恒定。

3結(jié)果分析

3.1導(dǎo)流器出口斷面靜壓均值變化

圖2為不同葉片數(shù)導(dǎo)流器出口斷面的靜壓均值，由圖2可知，不同葉片數(shù)的導(dǎo)流器對應(yīng)的出口斷面靜壓亦不同，即導(dǎo)流器轉(zhuǎn)換液流能量的效果與葉片數(shù)有關(guān)聯(lián)。原型潛水泵導(dǎo)流器具有7個葉片，出口處的靜壓均值為163kPa，隨著葉片數(shù)的增加，出口斷面靜壓均值有所增大，9個葉片時的靜壓均值達(dá)到最大，為170kPa。如繼續(xù)增加葉片數(shù)量，其斷面靜壓均值不但不會增加，反而開始有所下降，說明導(dǎo)流器葉片不是越多越好。與原型7個葉片相比，若減少葉片數(shù)，出口處靜壓均值呈現(xiàn)下降趨勢，當(dāng)葉片數(shù)為5時，斷面靜壓均值最小，表明這種情況導(dǎo)流器轉(zhuǎn)換能力最差。

圖3為導(dǎo)流器出口斷面靜壓分布云圖，由圖3可知，出口斷面靜壓隨著導(dǎo)流器葉片數(shù)的增加而不斷增大。其原因是葉片少，導(dǎo)流器對液流的約束就小，能量轉(zhuǎn)化的效果也就較差，最終表現(xiàn)為出口斷面靜壓值?。划?dāng)葉片數(shù)不斷增加時，導(dǎo)流器對液流的約束就會逐漸加強(qiáng)，限制了液流在流道內(nèi)的運(yùn)動，在整個過程中流態(tài)穩(wěn)定，不容易產(chǎn)生脫流和旋渦，能量損失少，對水泵性能的提升比較有利。一定范圍內(nèi)，這種狀態(tài)隨葉片的增多而表現(xiàn)得越加明顯。無限制地增加導(dǎo)流器葉片數(shù)，將使得流道狹窄、過流斷面縮小，一定程度上加大了液流流速，流速的增大必然引起沿程水力損失和局部沖擊損失的增加，這樣勢必造成導(dǎo)流器轉(zhuǎn)化效果的大幅度下降，同樣限制了潛水泵性能的發(fā)揮。

3.2潛水泵外部特性參數(shù)分析

原型潛水泵中，采用的導(dǎo)流器葉片數(shù)為7，在流量為125m^3/h 的設(shè)計工況下，揚(yáng)程為16m，效率值為81%。分別采用5、6、8、9和10個導(dǎo)流器葉片后，在對應(yīng)流量125m^3/h設(shè)計工況下的揚(yáng)程和效率都發(fā)生了明顯的變化。其中：葉片數(shù)超過7的潛水泵揚(yáng)程和效率都有不同程度的提高，而葉片數(shù)比7少的潛水泵揚(yáng)程和效率有所下降。6個方案中，葉片數(shù)為9的性能最佳，其水泵效率達(dá)到了84.3%，見表2。

從表2可以看出，導(dǎo)流器葉片數(shù)對潛水泵性能有顯著影響。葉片數(shù)為5時，因葉片少而流道斷面面積大，由葉輪出流的高環(huán)量液體直接進(jìn)入導(dǎo)流器，旋轉(zhuǎn)速度較大，導(dǎo)流器不能很好地發(fā)揮降低液流速度的作用。在原設(shè)計人口流量125m^3/h 工況下?lián)P程為13.94 m，較原裝7個葉片的導(dǎo)流器降低2.92m；效率為71.0%，較原裝導(dǎo)流器降低10.0個百分點(diǎn)，水泵效率偏低。同樣，葉片數(shù)為6時，雖比5個葉片數(shù)的性能有所提升，但與原裝7個葉片的導(dǎo)流器相比，性能也有不同程度的下降。隨著葉片數(shù)增加到8、9和10后，水泵性能較原裝有了一定的提高。其中，性能提高幅度最大的是葉片數(shù)為9的潛水泵，在流量125m^3/h 工況下?lián)P程為17.64m，較原裝導(dǎo)流器增加了0.78m；效率為84.3%，較原裝導(dǎo)流器提高了3.3個百分點(diǎn)。

增加導(dǎo)流器葉片數(shù)后，整個流道被分割成多個小的流動通道，液流分別沿著這些小通道獨(dú)立流動，導(dǎo)流器葉片減小速度環(huán)量的能力進(jìn)一步加強(qiáng)，液流動能轉(zhuǎn)換為壓力能的效果也逐漸顯現(xiàn)。由于液流在各自流道內(nèi)作約束流動，整個流動過程不容易產(chǎn)生脫流和旋渦，因此能量損失較少，最終通過外部特性反映出的結(jié)果就是水泵揚(yáng)程和效率提高。

圖4為導(dǎo)流器不同葉片數(shù)下的水泵效率預(yù)測曲線。導(dǎo)流器葉片少，使其不能很好地約束和控制葉輪出流，液流減速效果差，水力損失大，最終表現(xiàn)出效率偏低。當(dāng)葉片數(shù)增加時，導(dǎo)流器對流體流動的約束就會逐漸加強(qiáng)，減少了能量的損失，提高了潛水泵的效率。圖4中，效率預(yù)測曲線上各點(diǎn)斜率也不同，說明潛水泵效率的提高趨勢不是葉片越多越明顯。當(dāng)效率提高到一定程度時，繼續(xù)增加葉片數(shù)，不但不會進(jìn)一步提高水泵效率，反而使其有所下降。

綜上分析，對于原型潛水泵，水力性能較好的導(dǎo)流器葉片數(shù)閾值區(qū)間為

3.3仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比分析

為了對仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，在水泵開式試驗(yàn)臺上測試不同葉片數(shù)導(dǎo)流器與原裝葉輪裝配后的潛水泵性能。當(dāng)葉片數(shù)變化時，潛水泵實(shí)測與仿真的性能對比曲線見圖5。

從圖5可以看出，額定工況下，水泵揚(yáng)程和效率曲線的仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果吻合度較高。不同葉片數(shù)潛水泵的揚(yáng)程曲線和效率曲線走勢相同，隨著流量的增大，揚(yáng)程和效率發(fā)生不同的變化。所有工況下，仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的相對誤差最大為8.2%，最小為2.3%，均值為5.11%，誤差在允許范圍內(nèi)。

4結(jié)論

（1）利用黑箱研究法，通過Fluent仿真來分析導(dǎo)流器內(nèi)部復(fù)雜流場變化規(guī)律是可行的。

（2）隨著導(dǎo)流器葉片數(shù)的增加，潛水泵的揚(yáng)程和效率都呈遞增趨勢。對于原型潛水泵，水力性能較好的導(dǎo)流器葉片數(shù)閾值區(qū)間為。

（3）葉片數(shù)的確定需結(jié)合生產(chǎn)工藝，不能僅僅為了提高水泵水力效率而不考慮鑄造時葉片造型的難易程度和成本，隨意增加導(dǎo)流器葉片數(shù)。導(dǎo)流器葉片數(shù)的選擇需結(jié)合水泵性能和生產(chǎn)成本，使其達(dá)到綜合效益最高。