自吸泵內(nèi)能量損失及非定常流動(dòng)特性研究

舒 欣，任 蕓，吳登昊，祝之兵，牟介剛

（浙江工業(yè)大學(xué) 之江學(xué)院，浙江 紹興 312030；2.浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310014）

1 研究背景

自吸泵由于其具備良好的自吸性能，而被廣泛地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉、市政排水、食品和印染等行業(yè)［1］。由于自吸泵具有氣液分離腔、回流孔等特殊結(jié)構(gòu)，氣液分離腔內(nèi)部存在明顯的擴(kuò)散和沖擊損失，同時(shí)運(yùn)行過程中回流孔處回流液體使得其內(nèi)部的水力損失明顯高于普通離心泵。因此，其水力效率普遍偏低。為此，深入研究自吸泵內(nèi)能量損失特性具有重要的科學(xué)意義。

由于離心泵幾何結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和不對(duì)稱性，使得其內(nèi)部流動(dòng)具有顯著的非定常特征，流動(dòng)分離［2］、二次流［3］、動(dòng)靜干涉［4］、失速［5］及各種尺度的漩渦現(xiàn)象加劇了離心泵內(nèi)部的能量損失。因此，不少學(xué)者研究了泵內(nèi)部不穩(wěn)定流動(dòng)結(jié)構(gòu)（比如，失速團(tuán)或者漩渦）與其水力損失的關(guān)聯(lián)。隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的發(fā)展，離心泵內(nèi)部的瞬態(tài)流動(dòng)特性以及流動(dòng)損失機(jī)理得到了進(jìn)一步的揭示。Zhang 等［6］采用DDES 方法對(duì)離心泵內(nèi)部的非定常射流-尾跡流動(dòng)結(jié)構(gòu)及其演化特征進(jìn)行了深入分析，揭示了葉片尾跡是引起離心泵內(nèi)部局部漩渦和壓力波動(dòng)的主要原因。Zhou 等［7］采用大渦模擬方法分析了離心泵內(nèi)部失速渦的演變規(guī)律，揭示了隨著葉輪內(nèi)部失速渦的發(fā)展，其內(nèi)部流動(dòng)損失和壓力波動(dòng)的強(qiáng)度得到了顯著增長(zhǎng)。同時(shí)，在非設(shè)計(jì)工況下，離心泵內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài)變得十分的不穩(wěn)定，極易誘發(fā)強(qiáng)烈的漩渦，進(jìn)而導(dǎo)致離心泵內(nèi)部產(chǎn)生顯著的能量損失［8-9］。如果能夠定量地揭示離心泵內(nèi)不同區(qū)域的能量損失大小及分布規(guī)律，就可以針對(duì)性地去優(yōu)化離心泵的水力設(shè)計(jì)參數(shù)以改善其性能。

熵產(chǎn)代表了一個(gè)系統(tǒng)的不可逆性及流動(dòng)中能量損失的大小，近年來，該理論在離心泵能量損失評(píng)估方面得到了一定的發(fā)展。大量研究表明，熵產(chǎn)理論與傳統(tǒng)的水力損失評(píng)估法相比，其優(yōu)勢(shì)在于能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)離心泵內(nèi)能量損失的具體區(qū)域，直觀地反映泵內(nèi)能量損失的分布特征，為研究人員的后續(xù)改進(jìn)優(yōu)化提供準(zhǔn)確直觀的參考信息［10-13］。張永學(xué)等［14］利用局部熵產(chǎn)方法對(duì)離心泵內(nèi)的能量損失特性進(jìn)行了系統(tǒng)評(píng)估，揭示了葉輪和蝸殼是熵產(chǎn)發(fā)生的主要區(qū)域。王松嶺等［15］利用熵產(chǎn)理論對(duì)優(yōu)化前后離心風(fēng)機(jī)的損失特性進(jìn)行研究，揭示了優(yōu)化后風(fēng)機(jī)的效率提高了0.5%。張帆等［16］采用熵產(chǎn)的流動(dòng)損失分析方法對(duì)側(cè)流道泵內(nèi)的流動(dòng)損失的分布特征進(jìn)行分析，提出了側(cè)流道泵內(nèi)部流動(dòng)損失主要與湍流流動(dòng)增加的熵產(chǎn)有關(guān)，葉輪流道和側(cè)流道內(nèi)的湍動(dòng)耗散率遠(yuǎn)大于直接耗散率。盧金玲等［17］采用熵產(chǎn)理論對(duì)水輪機(jī)尾水管內(nèi)的渦帶特征及壓力脈動(dòng)特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)水輪機(jī)的葉片壓力面的流動(dòng)分離是熵產(chǎn)產(chǎn)生的主要原因，渦帶的產(chǎn)生使得尾水管區(qū)域出現(xiàn)高熵產(chǎn)率的帶狀區(qū)域。同樣，熵產(chǎn)理論也被用于分析多級(jí)離心泵［18］以及自吸泵［19］內(nèi)部的能量損失特性。

鑒于自吸泵的特殊結(jié)構(gòu)，氣液分離腔及回流孔的存在使得其內(nèi)部流動(dòng)更加復(fù)雜，目前關(guān)于自吸泵內(nèi)的流動(dòng)損失研究還不充分，對(duì)流動(dòng)損失出現(xiàn)的具體位置及損失機(jī)理的研究也較少。本文擬采用熵產(chǎn)理論對(duì)不同工況下自吸泵內(nèi)的能量損失特性進(jìn)行系統(tǒng)研究，定量分析自吸泵內(nèi)不同區(qū)域的能量損失特點(diǎn)，為自吸泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的理論基礎(chǔ)。

2 熵產(chǎn)理論

熵產(chǎn)理論是一種不可逆的過程，機(jī)械能的損失會(huì)轉(zhuǎn)換成內(nèi)能，這是不可逆的，最終會(huì)引起熵產(chǎn)的增加。根據(jù)第二熱力學(xué)定理，在實(shí)際的流體系統(tǒng)中也存在熵產(chǎn)。因此，為了更加有效地解釋泵內(nèi)流動(dòng)損失現(xiàn)象，這里采用熵產(chǎn)理論來對(duì)泵內(nèi)能量損失進(jìn)行解釋。

通常，離心泵內(nèi)的流動(dòng)是一種湍流狀態(tài)，對(duì)于湍流而言，熵產(chǎn)有兩個(gè)部分：一部分是由時(shí)均運(yùn)動(dòng)引起的；另一部分則由瞬態(tài)的速度波動(dòng)引起的。因此，熵產(chǎn)率（Entropy Production Rate，EPR）可以采用以下公式進(jìn)行表達(dá)［20］：

由時(shí)均和脈動(dòng)引起的熵產(chǎn)如式（2）和式（3）：

式中μt為湍流運(yùn)動(dòng)黏度。

式中：α=0.09，ω為湍流渦頻率，s-1；k 為湍流強(qiáng)度，m2/s2。

然而，由于熵產(chǎn)率存在較強(qiáng)的壁面效應(yīng)，且時(shí)均項(xiàng)較為明顯，其壁面附近熵產(chǎn)計(jì)算的公式為：

式中：為壁面切應(yīng)力，Pa；S 為面積，m2；為近壁面速度，m/s。

因此，整個(gè)系統(tǒng)計(jì)算域內(nèi)的總熵產(chǎn)計(jì)算公式為：

3 數(shù)值計(jì)算

3.1 計(jì)算對(duì)象本文以比轉(zhuǎn)速為231 的自吸泵模型作為數(shù)值研究對(duì)象，該模型為外混式雙葉片自吸泵，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，計(jì)算流體域如圖1所示。在建模過程中，除了主要的葉輪、蝸殼、氣液分離腔、吸入段和進(jìn)出口延長(zhǎng)管外，還考慮了回流孔、口環(huán)的間隙以及葉輪的前、后蓋板腔體，以便更加準(zhǔn)確的對(duì)實(shí)際模型進(jìn)行表達(dá)。計(jì)算域白色虛線的位置為兩個(gè)流體域之間的交接面。

表1 模型泵設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 數(shù)值計(jì)算流體域

3.2 計(jì)算網(wǎng)格和湍流模型采用GridPro 軟件對(duì)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，如圖2所示。通常，在計(jì)算時(shí)網(wǎng)格數(shù)越多，計(jì)算誤差會(huì)越小，同時(shí)計(jì)算時(shí)又要兼顧計(jì)算的時(shí)間性，因此開展了網(wǎng)格無關(guān)性分析，以確定適合的網(wǎng)格數(shù)。網(wǎng)格無關(guān)性分析如圖3所示，從圖3可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)達(dá)到300 萬左右的時(shí)候，設(shè)計(jì)工況下的揚(yáng)程和扭矩基本保持穩(wěn)定，其中揚(yáng)程值H 穩(wěn)定在16.7 m 左右，扭矩值T 穩(wěn)定在19.4 N·m 左右；當(dāng)網(wǎng)格數(shù)達(dá)到440 萬時(shí)，總熵產(chǎn)值Spro穩(wěn)定在3.7 W/K 左右。因此，為了兼顧計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間，最終模型的總網(wǎng)格數(shù)定為440 萬，其中葉輪、蝸殼、氣液分離腔、吸入段的網(wǎng)格數(shù)分別為68 萬、46 萬、215 萬、17 萬，其他計(jì)算域?yàn)?4 萬。由于葉片壁面存在較高的壓力和速度梯度，需要對(duì)葉片近壁面的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，使得第一層網(wǎng)格布置保證y+≤30，滿足了應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)對(duì)近壁面區(qū)的流動(dòng)特征進(jìn)行求解的計(jì)算要求［22］。表2為設(shè)計(jì)工況下的湍流模型無關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果，可以看出不同湍流模型對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響較小，相對(duì)誤差基本控制在3%之內(nèi)，滿足相關(guān)計(jì)算精確要求。相比k-ε湍流模型，SST k-ω［21］湍流模型是一種雙方程的渦黏性模型，其利用壁面函數(shù)能夠比較精確地獲取葉輪機(jī)械近壁面區(qū)低雷諾數(shù)的黏性特征，而且在帶有壓力梯度的流動(dòng)中其計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確；同時(shí)，該模型相比大渦模擬方法，其所占用的計(jì)算資源更加合理，更適用于工程應(yīng)用。因此，本項(xiàng)目最終選擇SST k-ω作為后續(xù)計(jì)算的湍流模型。同時(shí)，由于本文只針對(duì)自吸泵輸送液體介質(zhì)時(shí)的水力損失及其非定常特性，并未涉及自吸過程的氣液兩相流動(dòng)特征，因此，計(jì)算中只考慮了單一介質(zhì)，并未考慮自吸泵的氣液兩相流動(dòng)特性。

圖2 計(jì)算網(wǎng)格

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性分析

表2 湍流模型無關(guān)性驗(yàn)證（Q=1.0Qd）

3.3 邊界條件及監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布計(jì)算時(shí)，在泵進(jìn)口給定總壓為0 Pa，同時(shí)出口設(shè)為質(zhì)量流量出口。定常計(jì)算過程中，采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子法耦合動(dòng)靜部件，非定常計(jì)算中動(dòng)靜部件采用瞬態(tài)轉(zhuǎn)子-定子法耦合，將定常計(jì)算結(jié)果作為非定常計(jì)算的初始條件，殘差收斂精度為10-5，為了充分獲取自吸泵內(nèi)部壓力脈動(dòng)及徑向力的非定常情況，設(shè)非定常數(shù)值模擬過程中物理時(shí)間步長(zhǎng)為葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)周期的1/120（每隔3°采集一次），即非定常物理時(shí)間步長(zhǎng)為0.000 172 414 s，每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)迭代20 次，采樣時(shí)間為8 倍的葉輪旋轉(zhuǎn)周期。固壁條件：固壁上滿足無滑移條件，近壁區(qū)采用伸縮壁面函數(shù)處理；流體域的粗糙度平均設(shè)為0.04 mm。圖4為自吸泵內(nèi)部壓力脈動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意圖，監(jiān)測(cè)點(diǎn)m1—m11位于蝸殼內(nèi)部，以監(jiān)測(cè)葉輪與蝸殼動(dòng)靜干涉誘導(dǎo)的壓力脈動(dòng)信息。

圖4 壓力脈動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)

圖5 模型泵性能實(shí)驗(yàn)

4 結(jié)果與分析

4.1 外特性對(duì)比分析通過閉式實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)自吸泵模型的水力性能開展實(shí)驗(yàn)測(cè)量，如圖5所示。圖6為自吸泵非定常數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比數(shù)據(jù)，數(shù)值計(jì)算的效率考慮了機(jī)械損失和容積損失［1］。實(shí)驗(yàn)在閉式實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)流量誤差為0.5%，壓力測(cè)量誤差為0.2%，轉(zhuǎn)速測(cè)量誤差為0.2%，扭矩測(cè)量誤差為0.5%?？梢园l(fā)現(xiàn)：設(shè)計(jì)工況附近的揚(yáng)程和效率誤差均小于2%；非設(shè)計(jì)工況下的揚(yáng)程誤差有所增大，總體誤差均小于5%。原因在于小流量工況下，泵內(nèi)部的流動(dòng)十分復(fù)雜，現(xiàn)有的計(jì)算模型很難對(duì)其進(jìn)行十分精確的預(yù)測(cè)；同時(shí)在小流量工況下，實(shí)驗(yàn)測(cè)試的偏差也會(huì)較大，測(cè)試的壓力和流量值會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)，這些原因都會(huì)導(dǎo)致計(jì)算和測(cè)試出現(xiàn)一定的偏差?？傮w上說，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性，精度基本滿足后續(xù)計(jì)算和分析的要求。

圖6 數(shù)值計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

4.2 泵內(nèi)能量損失分布特征為了系統(tǒng)的分析自吸泵內(nèi)流動(dòng)損失分布特性，通過數(shù)值計(jì)算獲取了不同工況下泵內(nèi)部總損失揚(yáng)程ht的計(jì)算見式（8）。

式中：hs為吸入段的水力損失，m；hi為葉輪的水力損失，m；hv為蝸殼的水力損失，m；hc為氣液分離腔的水力損失，m。

圖7 泵內(nèi)能量損失分布規(guī)律

圖7（a）為泵內(nèi)水力損失分布特征，從圖中可以得出：總水力損失為泵內(nèi)4 個(gè)主要流體域內(nèi)的損失之和，其值基本隨著流量的增大，呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)；其中小流量工況下的損失值明顯高于其他工況，設(shè)計(jì)流量工況附近的損失值達(dá)到最小。分析不同區(qū)域內(nèi)的水力損失情況，可以看出葉輪和蝸殼是泵內(nèi)水力損失的主要區(qū)域；吸入段和蝸殼內(nèi)的水力損失從小流量0.3Qd下的4.67 m 和8.1 m，下降到設(shè)計(jì)流量工況1.0Qd下的0.13 m 和1.6 m；葉輪內(nèi)的損失值在1.2Qd工況下達(dá)到最??；而氣液分離腔內(nèi)的水力損失分布特征則與其他區(qū)域存在明顯的區(qū)別，其損失值基本上隨著流量的增大而增大，并在大流量工況1.3Qd下達(dá)到最大值，其值為1.34 m，其主要原因在于氣液分離腔內(nèi)損失的主要形式為沖擊和擴(kuò)散損失，這兩種損失主要取決于腔體內(nèi)部的流速，通常流速越大，其對(duì)應(yīng)的損失越大，故隨著流量的增大，腔體內(nèi)部的流速逐漸增大，進(jìn)而引起更多的損失。

圖7（b）為泵內(nèi)不同區(qū)域的熵產(chǎn)分布規(guī)律，從圖中可以得出：泵內(nèi)總熵產(chǎn)值Spro在設(shè)計(jì)工況附近達(dá)到最小，其值為3.72 W/K；小流量工況下的總熵產(chǎn)值明顯高于其他工況，0.3Qd下的總熵產(chǎn)值為11.25 W/K；總熵產(chǎn)值在不同流量下的分布規(guī)律與圖7（a）中反映的泵內(nèi)總水力損失（ht）的分布規(guī)律基本一致。分析不同區(qū)域內(nèi)的熵產(chǎn)分布情況，得到葉輪和蝸殼內(nèi)的總熵產(chǎn)值在小流量到設(shè)計(jì)流量區(qū)域明顯高于其他區(qū)域，隨著流量的進(jìn)一步加大，氣液分離腔內(nèi)部的總熵產(chǎn)值逐漸高于其他區(qū)域；吸入段內(nèi)的總熵產(chǎn)值主要體現(xiàn)在小流量工況，隨著流量的加大，其內(nèi)的總熵產(chǎn)值迅速降低并接近于零；個(gè)體區(qū)域的總熵產(chǎn)分布規(guī)律大致與圖7（a）所反映的個(gè)體區(qū)域內(nèi)的水力損失分布規(guī)律相似。

圖8（a）為泵內(nèi)不同區(qū)域的水力損失比率分布規(guī)律，從圖中可以得出：葉輪和蝸殼是泵內(nèi)水力損失的主要單元，其中葉輪內(nèi)水力損失所占的比率基本維持在40%以上，最大的達(dá)到了57%；蝸殼內(nèi)水力損失所占的比率基本維持在30%以上，最大的達(dá)到了43%；氣液分離腔和吸入段內(nèi)的水力損失所占比率偏小，其中氣液分離腔在大流量工況下所占比率有所增加，最高達(dá)到24%；相反，對(duì)于吸入段，其在小流量工況下貢獻(xiàn)較大，最高達(dá)到25%。從泵內(nèi)主要區(qū)域的水力損失占比分布可以發(fā)現(xiàn)，葉輪和蝸殼是改善泵內(nèi)水力特性的核心優(yōu)化單元；而對(duì)于氣液分離腔，其在設(shè)計(jì)過程中也需要給予一定的關(guān)注，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)流量及大流量工況下，其所占的水力損失比重也較大。

圖8 泵內(nèi)不同區(qū)域的能量損失比率分布規(guī)律

圖8（b）為泵內(nèi)不同區(qū)域的總熵產(chǎn)比率分布規(guī)律，從圖中可以得出：大部分工況下葉輪和蝸殼內(nèi)的總熵產(chǎn)比率高于其他區(qū)域，其中葉輪內(nèi)總熵產(chǎn)所占的比率基本維持在20%以上，最大的達(dá)到了61%；蝸殼內(nèi)總熵產(chǎn)所占的比率基本維持在20%以上，最大的達(dá)到了41%；氣液分離腔在大流量工況下所占的比率明顯增大，最高達(dá)到44%；對(duì)于吸入段，其在小流量工況下貢獻(xiàn)較大，最高達(dá)到14%。總的來說，泵內(nèi)不同區(qū)域的總熵產(chǎn)比率分布規(guī)律與圖8（a）中反映的泵內(nèi)不同區(qū)域的水力損失比率分布規(guī)律基本一致。

4.3 泵內(nèi)熵產(chǎn)分布特征以葉輪及整個(gè)計(jì)算流體域的中間截面作為分析對(duì)象，圖9為不同工況下葉輪及泵內(nèi)熵產(chǎn)對(duì)比分析圖。

從圖9中可以得出：（1）在小流量工況下，即0.5Qd，泵內(nèi)的損失主要集中在葉片進(jìn)口處和出口處，其主要原因在于：葉片進(jìn)口處存在較嚴(yán)重的流動(dòng)沖擊（見圖10中的1 號(hào)區(qū)域）及葉片壓力面處的流動(dòng)分離現(xiàn)象（見圖10中的2 號(hào)區(qū)域）；在葉輪出口處存在大量的回流（見圖10中的3 號(hào)區(qū)域），導(dǎo)致出口處易于形成大面積的漩渦；同時(shí)葉輪和隔舌的動(dòng)靜干涉效應(yīng)進(jìn)一步加劇了葉輪內(nèi)部和隔舌附近的損失；（2）在設(shè)計(jì)流量1.0Qd工況下，葉輪內(nèi)部的熵產(chǎn)值較小，泵內(nèi)的損失主要集中在隔舌附近和蝸殼內(nèi)，對(duì)比其他工況，設(shè)計(jì)工況下的熵產(chǎn)值最小，即其水力損失最?。唬?）在大流量工況下，即1.2Qd，泵內(nèi)的損失主要集中在隔舌、蝸殼以及氣液分離腔內(nèi)，在蝸殼出口處的氣液分離腔中出現(xiàn)了較大的能量損失，其主要原因在于蝸殼內(nèi)的液體以較高的流速進(jìn)入氣液分離腔，高速的流體與氣液分離腔內(nèi)低速的流體之間形成較大的剪切作用，進(jìn)而形成較大的能量損失；同時(shí)高速的流體撞擊氣液分離腔內(nèi)的壁面，進(jìn)而形成較大的沖擊損失。

圖9 不同工況下泵內(nèi)熵產(chǎn)分布特征

圖10 小流量工況下葉輪內(nèi)部速度場(chǎng)分布（0.5Qd）

4.4 泵內(nèi)非定常流動(dòng)特性為了分析不同工況下泵內(nèi)壓力脈動(dòng)的特性，對(duì)11 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，記錄一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)m1—m11上的瞬態(tài)靜壓值。采用壓力脈動(dòng)強(qiáng)度μp作為衡量指標(biāo)。計(jì)算公式如下：

圖11為不同工況下蝸殼內(nèi)部壓力脈動(dòng)強(qiáng)度分布情況，從圖中可以看出，非設(shè)計(jì)工況下蝸殼內(nèi)部的壓力脈動(dòng)強(qiáng)度在靠近隔舌區(qū)域較大，蝸殼中段處變?nèi)?，蝸殼出口擴(kuò)散段處又進(jìn)一步增強(qiáng)。該原因在于非設(shè)計(jì)工況下靠近隔舌區(qū)域會(huì)出現(xiàn)顯著的動(dòng)靜干涉現(xiàn)象，局部區(qū)域的壓力會(huì)隨著葉片的旋轉(zhuǎn)出現(xiàn)較大的波動(dòng)；而對(duì)于出口擴(kuò)散段，在大流量工況下，由于擴(kuò)散段內(nèi)流體易于產(chǎn)生局部的漩渦，因此，該工況下的壓力波動(dòng)明顯高于其他工況。相比較而言，設(shè)計(jì)工況下蝸殼內(nèi)部各點(diǎn)的壓力脈動(dòng)分布沒有出現(xiàn)顯著的差距，其僅在遠(yuǎn)離隔舌的蝸殼中段出現(xiàn)局部較低的壓力脈動(dòng)，其他區(qū)域基本相差不大。其原因在于設(shè)計(jì)工況下，蝸殼內(nèi)部的壓力分布相對(duì)比較均勻，葉片與蝸殼的動(dòng)靜干涉作用相對(duì)較弱。

圖11 蝸殼內(nèi)部壓力脈動(dòng)強(qiáng)度分布規(guī)律

圖12 不同工況下泵內(nèi)渦核分布特征（t=0.146552s）

為了分析流量變化時(shí)，熵產(chǎn)、壓力脈動(dòng)與泵內(nèi)流態(tài)之間的關(guān)系，需要識(shí)別泵內(nèi)渦核的分布特征。這里選用物理意義明確的Q 準(zhǔn)則［16］，Q=1/2（ΩijΩij- SijSij），式中：Ωij為旋轉(zhuǎn)張量；Sij為應(yīng)變率張量。當(dāng)Q＞0 時(shí)，存在渦結(jié)構(gòu)，Q 值越大，渦強(qiáng)度越大。Q 值的大小對(duì)渦識(shí)別具有較大的影響，隨著Q 值的增加，所識(shí)別的渦結(jié)構(gòu)逐漸減?。籕 值過大，只能識(shí)別少量的渦結(jié)構(gòu)，會(huì)忽略許多有意義的渦結(jié)構(gòu)，不利于分析；Q 值過小，則會(huì)出現(xiàn)大面積的渦結(jié)構(gòu)，也不利于分析。綜合分析不同Q 等值面下的渦結(jié)構(gòu)分布特征，這里選擇渦結(jié)構(gòu)較為清晰的Q=1.5×105等值面來進(jìn)一步研究不同工況下的渦結(jié)構(gòu)特征。圖12為不同工況下自吸泵內(nèi)瞬態(tài)渦核分布特征。從圖中可以看出：在小流量工況下，葉輪和蝸殼內(nèi)部渦核分布面積較大，渦核主要分布在葉輪的進(jìn)口處和出口處，出口的渦核主要分布在葉片壓力面?zhèn)?，而在葉片的吸力面其對(duì)應(yīng)的渦核面積較小，該分布特征與圖9（a）中反映的熵產(chǎn)特征較為一致，同時(shí)也解釋了圖11中反映的小流量工況下壓力脈動(dòng)強(qiáng)度較大的原因。小流量工況下，進(jìn)口渦核產(chǎn)生的原因在于葉輪進(jìn)口易出現(xiàn)液流沖擊及流動(dòng)分離，而葉輪出口處的回流及動(dòng)靜干涉現(xiàn)象是引起出口渦核的主要原因；在設(shè)計(jì)工況下，渦核分布面積顯著減??；在大流量工況下，渦核的分布面積略微有所增加。3 種工況下，均在回流孔處出現(xiàn)渦核，其原因在于液體流經(jīng)回流孔時(shí)存在局部收縮和擴(kuò)張現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致不穩(wěn)定渦的產(chǎn)生。

5 結(jié)論

本文采用熵產(chǎn)理論和Q 準(zhǔn)則定量揭示了不同工況下自吸泵內(nèi)能量損失特性和渦核分布特征，為自吸泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。主要研究結(jié)論如下：

（1）泵內(nèi)熵產(chǎn)分布特征與水力損失分布特征基本一致，泵內(nèi)總熵產(chǎn)值在設(shè)計(jì)工況附近達(dá)到最小，其值為3.72 W/K；小流量工況下的總熵產(chǎn)值明顯高于其他工況，0.3Qd下的總熵產(chǎn)值為11.25 W/K；葉輪、蝸殼和氣液分離腔是自吸泵內(nèi)能量損失的主要區(qū)域，三者損失之和約為總損失值的90%。

（2）在小流量工況下，泵內(nèi)的損失主要集中在葉輪內(nèi)部進(jìn)口處和出口處；在設(shè)計(jì)流量工況下，泵內(nèi)的損失主要集中在隔舌附近和蝸殼內(nèi)；在大流量工況下，泵內(nèi)的損失主要集中在隔舌、蝸殼以及氣液分離腔內(nèi)。葉片進(jìn)口處存在較嚴(yán)重的液流沖擊及流動(dòng)分離現(xiàn)象；在葉輪出口處存在大量的回流，導(dǎo)致出口處形成大面積的漩渦；同時(shí)葉輪和隔舌的動(dòng)靜干涉效應(yīng)進(jìn)一步加劇了葉輪內(nèi)部和隔舌附近的損失；在大流量工況下，蝸殼內(nèi)的液體以較高的流速進(jìn)入氣液分離腔，形成了較大的能量損失；同時(shí)高速的流體撞擊氣液分離腔內(nèi)的壁面，引起了較大的沖擊損失。

（3）小流量工況下，靠近隔舌區(qū)域會(huì)出現(xiàn)了強(qiáng)烈的動(dòng)靜干涉現(xiàn)象，局部壓力出現(xiàn)了較大的波動(dòng)；在大流量工況下，出口擴(kuò)散段由于擴(kuò)散段內(nèi)流體易于產(chǎn)生局部的漩渦，該工況下的壓力波動(dòng)明顯高于其他工況。渦核主要分布在葉輪的進(jìn)口處、出口處，以及回流孔處，葉輪進(jìn)口的流動(dòng)沖擊和葉輪出口處的回流及動(dòng)靜干涉是引起渦核的主要原因。

論文摘要編寫要點(diǎn)

論文摘要十分重要，它是溝通讀者和作者之間的橋梁。在今天信息時(shí)代，讀者不可能閱讀刊物的每一篇論文去查找所需的信息，只有通過摘要了解論文的主要內(nèi)容，從而判斷有無必要閱讀全文。國(guó)內(nèi)外的檢索系統(tǒng)為了信息交流，更建立了各種二次文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，幫助讀者通過查找論文摘要，以便提取原文。而二次文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)是作者的論文摘要。但許多作者卻往往忽視了論文摘要的這一重要意義，沒有下工夫把論文摘要寫好，尤其是英文摘要。當(dāng)今科技領(lǐng)域，英文已經(jīng)成為國(guó)際交流語言，世界各國(guó)學(xué)者想追蹤了解某一學(xué)科的發(fā)展情況，多會(huì)用英文工具書、數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索。而國(guó)外的檢索系統(tǒng)也主要通過英文摘要判斷論文是否被收錄進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)。為了幫助作者寫好摘要，我編輯部在給作者的論文修改通知中都附有《摘要編寫要點(diǎn)》，供作者參考?，F(xiàn)再刊登于下，以便作者查閱。

1.摘要是論文內(nèi)容不加注釋和評(píng)論的簡(jiǎn)短陳述，應(yīng)包括正文的要點(diǎn)，具有獨(dú)立性和自含性，讓讀者不閱讀全文就能了解論文的基本內(nèi)容，以判斷有無必要閱讀全文，也可供二次文獻(xiàn)采用。

2.摘要應(yīng)說明研究工作的目的、方法與手段、結(jié)果和結(jié)論，要盡量簡(jiǎn)短，盡可能省略課題的背景信息。

3.摘要中的內(nèi)容應(yīng)在正文中出現(xiàn)，不能對(duì)正文進(jìn)行補(bǔ)充和修改。

4.摘要中不用圖、表、非公用共知的符號(hào)和術(shù)語，不能引用文獻(xiàn)；縮寫名稱在第一次出現(xiàn)時(shí)要有全稱（包括中文和英文）。

5.摘要中不要多列數(shù)據(jù)，出現(xiàn)的應(yīng)該是最重要的、最關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

6.中文摘要一般300 字左右，中英文摘要應(yīng)基本對(duì)照，不能因?yàn)槟承﹥?nèi)容不好翻譯就略去。

7.關(guān)鍵詞是為了文獻(xiàn)標(biāo)引工作，是從論文中選取出來用以表示全文主題內(nèi)容信息的單詞或術(shù)語，一般為3～8 個(gè)詞，盡量用規(guī)范詞。

《水利學(xué)報(bào)》編輯部