導(dǎo)葉安放位置對(duì)離心泵蝸殼水力損失影響的數(shù)值研究*

劉 振,劉吉營(yíng),江 偉,朱相源*

(1.蘇州建筑裝飾設(shè)計(jì)研究院有限公司,江蘇 蘇州 215000;2.山東建筑大學(xué) 熱能學(xué)院,山東 濟(jì)南 250000;3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水建學(xué)院,陜西 楊凌 712100)

0 引 言

目前,帶導(dǎo)葉離心泵廣泛應(yīng)用于建筑給排水、消防工程、化工流程等工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域,其運(yùn)行特性受導(dǎo)葉安放位置影響較大。在葉輪機(jī)械中,動(dòng)葉與動(dòng)葉之間或靜葉與靜葉之間由于圓周相對(duì)安放位置改變而引起性能變化的現(xiàn)象稱時(shí)序效應(yīng)。該效應(yīng)最早出現(xiàn)在渦輪和壓氣機(jī)研究中[1-3]。

在離心泵中,多指導(dǎo)葉與蝸殼隔舌[4-5]、葉輪與誘導(dǎo)輪[6-8]、雙吸泵葉輪相對(duì)位置[9]以及多級(jí)泵中不同級(jí)葉輪[10-14]之間的相對(duì)安放位置改變,會(huì)導(dǎo)致離心泵水動(dòng)力特性如壓力脈動(dòng)、空化特定等顯著改變。

在帶導(dǎo)葉離心泵中,導(dǎo)葉與隔舌的相對(duì)安放位置對(duì)離心泵水動(dòng)力特性也存在較大影響。

ZHANG Xiang-yuan等人[15]研究了導(dǎo)葉安放位置對(duì)葉輪水力性能的影響,結(jié)果表明存在一個(gè)最佳徑向?qū)~安放位置,在該位置下不僅可以提高泵的揚(yáng)程和效率,還可以降低壓力脈動(dòng)強(qiáng)度,徑向?qū)~的安放位置將影響葉輪出口速度的均勻性,并進(jìn)一步影響泵的水力特性。LAI Fen等人[16-17]分別研究了導(dǎo)葉安放位置對(duì)葉輪徑向力、水力損失和壓力脈動(dòng)的影響,結(jié)果表明蝸殼內(nèi)水力損失受導(dǎo)葉安放位置影響最大,在蝸殼能量損失最小的導(dǎo)葉安放位置,葉輪流道處流量分配更加均勻,壓力分布相對(duì)均勻,葉輪受徑向力較小。GU Yan-dong等人[18]基于熵產(chǎn)理論,研究了環(huán)形蝸殼電廠給水泵導(dǎo)葉安放位置對(duì)其性能的影響,結(jié)果表明不同導(dǎo)葉位置下,泵效率的最大差異為2.61%;導(dǎo)葉安放位置對(duì)圓形殼體的總壓降系數(shù)影響最大,最大差異為1.91%,不同導(dǎo)葉位置會(huì)導(dǎo)致蝸殼額外的流量損失,甚至增加導(dǎo)葉內(nèi)水力損失。彭小娜等人[19-23]分別就導(dǎo)葉安放位置對(duì)離心泵壓力脈動(dòng)、徑向力的影響開(kāi)展了試驗(yàn)及數(shù)值研究,結(jié)果表明,存在導(dǎo)葉最佳安放位置,使得壓力脈動(dòng)強(qiáng)度、葉輪徑向力等降低。

不同導(dǎo)葉-蝸殼配置關(guān)系使其葉輪下游流道的邊界條件產(chǎn)生變化,此種變化必然導(dǎo)致其內(nèi)部流場(chǎng)產(chǎn)生顯著差異。目前,導(dǎo)葉安放位置影響離心泵壓力脈動(dòng)、徑向力和能量損失的研究較多,其給出了不同導(dǎo)葉位置下壓力脈動(dòng)、徑向力的變化情況,闡明了能量損失的主要分布區(qū)域,但缺乏導(dǎo)葉安放位置對(duì)離心泵蝸殼內(nèi)水力損失影響誘因的研究。

筆者采用數(shù)值模擬的方式,研究離心泵導(dǎo)葉安放位置對(duì)蝸殼內(nèi)水力損失的影響,闡明不同安放位置下蝸殼來(lái)流條件變化導(dǎo)致的蝸殼內(nèi)流動(dòng)畸變及蝸殼內(nèi)速度分布及梯度變化,給出蝸殼總壓分布沿流動(dòng)方向的分布規(guī)律及蝸殼內(nèi)速度梯度導(dǎo)致的剪切應(yīng)變率分布,揭示導(dǎo)葉安放位置對(duì)蝸殼水力損失的影響機(jī)理。

1 數(shù)值方法及試驗(yàn)驗(yàn)證

1.1 數(shù)值模擬設(shè)置及離心泵參數(shù)

模型離心泵幾何及運(yùn)行參數(shù)如表1所示。

表1 離心泵幾何及運(yùn)行參數(shù)

筆者采用ICEM-CFD軟件對(duì)過(guò)流部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格離散,在壁面附近進(jìn)行網(wǎng)格加密。

計(jì)算域網(wǎng)格如圖1所示。

圖1 網(wǎng)格離散

基于SSTk-ω模型,筆者采用CFX軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。其中,進(jìn)口采用速度進(jìn)口,出口采用自由出流,壁面選擇光滑無(wú)滑移壁面。非定常計(jì)算中,葉輪與蝸殼交界面為動(dòng)靜交界面。時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為葉輪旋轉(zhuǎn)1°所需的時(shí)間,即0.000 057 47 s。

1.2 導(dǎo)葉安放位置選取與測(cè)量不確定性分析

此處離心泵導(dǎo)葉共5葉片,相鄰葉片圓周距離為72°,導(dǎo)葉安放位置共選取4組,此時(shí)導(dǎo)葉片尾緣距隔舌圓周角度分別為0°、18°、36°和54°。壓力測(cè)點(diǎn)1位于隔舌處,壓力測(cè)點(diǎn)2位于隔舌下游蝸殼出口管路中。

導(dǎo)葉安放位置及試驗(yàn)臺(tái)如圖2所示。

圖2 導(dǎo)葉安放位置與試驗(yàn)臺(tái)

試驗(yàn)分別測(cè)量不同導(dǎo)葉安放位置下離心泵進(jìn)出口及測(cè)點(diǎn)處壓力。根據(jù)文獻(xiàn)[24],壓力測(cè)量中不確定性分析如表2所示。

表2 壓力測(cè)量中的不確定性分析

由表2可見(jiàn),在壓力測(cè)量中,最大不確定度為0.829%,測(cè)量結(jié)果具有較高可信性。

1.3 數(shù)值模擬驗(yàn)證

數(shù)值模擬揚(yáng)程系數(shù)與試驗(yàn)揚(yáng)程對(duì)比,以及不同導(dǎo)葉安放位置下?lián)P程及效率曲線對(duì)比結(jié)果,如圖3所示。

圖3 外特性數(shù)值模擬結(jié)果的試驗(yàn)驗(yàn)證

其中,揚(yáng)程系數(shù)表達(dá)式如下:

(1)

式中:H為揚(yáng)程;g為重力加速度,m/s2;u2為葉輪出口邊線速度。

由圖3可見(jiàn):不同導(dǎo)葉安放位置下,揚(yáng)程和效率差異明顯,且隨著流量增大而差異增大。設(shè)計(jì)流量下最大和最小揚(yáng)程差約4.8%,效率差約3.5%。四個(gè)導(dǎo)葉安放位置下,揚(yáng)程的試驗(yàn)值與數(shù)值模擬值吻合較好,其相對(duì)誤差低于5%。在不同導(dǎo)葉安放位置下,揚(yáng)程具有較大差異,尤其在大流量區(qū)差別更明顯。導(dǎo)葉安放位置由θd1至θd4,其揚(yáng)程逐漸上升。

數(shù)值模擬壓力脈動(dòng)幅值在不同流量下的變化趨勢(shì)與試驗(yàn)值變化趨勢(shì)一致,在不同導(dǎo)葉安放位置下,其變化趨勢(shì)亦一致[25]。

兩個(gè)壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)處壓力脈動(dòng)幅值的數(shù)值模擬值與試驗(yàn)值對(duì)比情況,如圖4所示。

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)處壓力脈動(dòng)幅值的試驗(yàn)驗(yàn)證

由圖4可見(jiàn):壓力脈動(dòng)幅值的變化趨勢(shì)與試驗(yàn)相似,試驗(yàn)值與數(shù)值模擬值略有不同。這是由于試驗(yàn)時(shí)壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)空間位置與數(shù)值模擬的設(shè)置并非完全一致,導(dǎo)致其產(chǎn)生一定差異。壓力脈動(dòng)幅值的試驗(yàn)值與數(shù)值模擬值誤差低于4.5%。

上述分析結(jié)果表明:該數(shù)值模擬設(shè)置是可行的,可較精確地預(yù)測(cè)離心泵內(nèi)部流場(chǎng)。

由圖4可見(jiàn):不同導(dǎo)葉安放位置下,隔舌附近壓力脈動(dòng)差異巨大,表明導(dǎo)葉安放位置對(duì)隔舌處流場(chǎng)影響較大。離心泵葉輪嚴(yán)格對(duì)稱,導(dǎo)葉與蝸殼作為靜子部件,其不同配置方式將導(dǎo)致流動(dòng)邊界條件產(chǎn)生顯著差異,進(jìn)而對(duì)離心泵內(nèi)流場(chǎng)產(chǎn)生較大影響[26]。

基于此原因,接下來(lái)筆者將采用數(shù)值模擬的方式研究導(dǎo)葉安放位置對(duì)離心泵內(nèi)部流動(dòng)的影響。

2 結(jié)果分析

2.1 過(guò)流部件總壓降分析

不同工況下四個(gè)導(dǎo)葉安放位置時(shí)的葉輪軸功率、葉輪總壓升、導(dǎo)葉總壓降和蝸殼總壓降的時(shí)均值變化圖如圖5所示。

圖5 不同流量不同導(dǎo)葉安放位置下各參數(shù)變化

其中,蝸殼總壓降系數(shù)如下:

(2)

導(dǎo)葉總壓降系數(shù)如下:

(3)

葉輪總壓升系數(shù)如下:

(4)

式中:下標(biāo)w,d,r為蝸殼、導(dǎo)葉和葉輪;out為相應(yīng)部件的出口;in為進(jìn)口;tp為總壓。

Pout,tp與Pw,out,tp相等,皆為蝸殼出口總壓;Pin,tp與Pr,in,tp相等,皆為葉輪進(jìn)口總壓。其中,因葉輪做功的原因,葉輪進(jìn)出口總壓差并非水力損失。

定義葉輪做功無(wú)量綱化系數(shù)如下:

(5)

式中:A2為葉輪出口面積。

由圖5可知:隨著流量的增大,葉輪做功逐漸增加。在同一流量下,導(dǎo)葉處于不同的圓周安放位置時(shí),葉輪做功的時(shí)均值變化微小。葉輪總壓升隨著流量的增大逐漸降低;在同一流量下,不同導(dǎo)葉安放位置時(shí),葉輪總壓升差別微小。軸功在葉輪內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w的機(jī)械能,并伴隨著水力損失。

上述分析結(jié)果表明,導(dǎo)葉安放位置對(duì)離心泵能量輸入和葉輪內(nèi)部能量損失影響較小。

由導(dǎo)葉總壓降變化可知:在設(shè)計(jì)工況下,導(dǎo)葉總壓降最小,小流量下次之,大流量下最大。這是由于在設(shè)計(jì)工況下導(dǎo)葉內(nèi)部流動(dòng)相對(duì)均勻,總壓降較低。在大流量下,導(dǎo)葉內(nèi)部流體流速較大,產(chǎn)生較大的總壓降。在同一流量下,不同導(dǎo)葉安放位置時(shí)的導(dǎo)葉總壓降有所區(qū)別,表明導(dǎo)葉安放位置對(duì)導(dǎo)葉內(nèi)部總壓降有一定的影響。當(dāng)導(dǎo)葉安放在位置θd1處時(shí),其導(dǎo)葉總壓降最大,導(dǎo)葉安放位置由θd1變化至θd4,其總壓降逐漸減小;這表明在θd4時(shí),導(dǎo)葉內(nèi)部總壓降最低。

由蝸殼總壓降變化可見(jiàn),在同一導(dǎo)葉安放位置下,隨著流量的增大,蝸殼總壓降逐漸增大。在同一流量下,不同導(dǎo)葉安放位置時(shí)的蝸殼總壓降差別顯著。隨著導(dǎo)葉安放位置由θd1變化至θd4,蝸殼總壓降逐漸降低。當(dāng)導(dǎo)葉安放在θd4位置時(shí),蝸殼總壓降最小,當(dāng)導(dǎo)葉安放在θd1位置時(shí),蝸殼總壓降為θd4位置處總壓降的兩倍之多。這表明導(dǎo)葉安放位置對(duì)蝸殼內(nèi)部總壓降影響顯著。

上述分析結(jié)果表明:導(dǎo)葉安放位置對(duì)葉輪總壓升影響微小,對(duì)蝸殼的總壓影響較大,對(duì)導(dǎo)葉影響較小;導(dǎo)葉存在最佳安放位置,在最優(yōu)位置處可使過(guò)流部件總壓降降低。

2.2 蝸殼進(jìn)口邊流態(tài)分析

蝸殼內(nèi)部流動(dòng)受制于來(lái)流條件。導(dǎo)葉安放位置的變化必然引起蝸殼來(lái)流的顯著差異。

在0.8qdes工況下,不同導(dǎo)葉安放位置下不同時(shí)刻(T1、T2、T3)的蝸殼進(jìn)口回轉(zhuǎn)面圓周速度和徑向速度分布,如圖6所示。

圖6 0.8qdes工況下導(dǎo)葉出口回轉(zhuǎn)面圓周速度和徑向速度分布

圖6中,θr=0°/360°處為隔舌位置,隔舌右側(cè)虛線處為隔舌前部導(dǎo)葉流道,實(shí)線處為隔舌處導(dǎo)葉流道。

由圖6可見(jiàn):對(duì)于特定的導(dǎo)葉安放位置,不同時(shí)刻導(dǎo)葉出口速度分布有一定區(qū)別,如圖中方形標(biāo)識(shí)區(qū)所示。這是由于葉輪-導(dǎo)葉及葉輪-隔舌動(dòng)靜干涉作用導(dǎo)致流場(chǎng)周期性波動(dòng)引起的。不同導(dǎo)葉出口,其速度波動(dòng)強(qiáng)度不同,但速度分布趨勢(shì)變化較小。

相比于動(dòng)靜干涉對(duì)導(dǎo)葉出口流場(chǎng)的影響,導(dǎo)葉安放位置對(duì)導(dǎo)葉出口流場(chǎng)影響更加顯著,且該影響主要集中在對(duì)隔舌處流道流場(chǎng)的顯著影響,對(duì)其他流道影響相對(duì)較小。

隔舌前部導(dǎo)葉流道如隔舌右側(cè)虛線所示,及隔舌左側(cè)導(dǎo)葉流道的點(diǎn)劃線所示。流道出口流動(dòng)參數(shù)在不同導(dǎo)葉安放位置下雖有所不同,但分布趨勢(shì)相似。在不同導(dǎo)葉安放位置時(shí),隔舌處導(dǎo)葉流道出口圓周速度和徑向速度差別顯著。

由圖6(a)～圖6(c)可見(jiàn):在隔舌上游處(圖中隔舌右側(cè)),隨著導(dǎo)葉流道靠近隔舌,流道出口圓周速度和徑向速度逐漸增大。當(dāng)流道位于隔舌處時(shí)(實(shí)線所示),流道出口處圓周速度和徑向速度出現(xiàn)嚴(yán)重畸變,其速度出現(xiàn)負(fù)值區(qū)(云圖中的線為正負(fù)值分界線),且不同導(dǎo)葉安放位置下該流道處流場(chǎng)差異顯著。

當(dāng)導(dǎo)葉位于θd1時(shí),導(dǎo)葉尾緣DB1位于隔舌處,隔舌前部區(qū)域出現(xiàn)負(fù)圓周速度;且該區(qū)域出現(xiàn)局部負(fù)徑向速度,徑向速度絕對(duì)值相對(duì)較小,見(jiàn)圖6(c)虛線框,云圖中實(shí)線為徑向速度為0時(shí)的等值線。

隨著導(dǎo)葉安放在θd2處時(shí),負(fù)圓周速度區(qū)增大,該區(qū)域范圍依然為DB1尾緣至隔舌前部,此時(shí)在隔舌處負(fù)徑向速度絕對(duì)值增大如圖6(c)虛線框標(biāo)識(shí)區(qū)。當(dāng)導(dǎo)葉安放在θd3時(shí),圓周速度負(fù)值區(qū)進(jìn)一步增大,但其絕對(duì)值有所降低,隔舌處負(fù)徑向速度區(qū)速度值增大。當(dāng)導(dǎo)葉安放在θd4處時(shí),圓周速度的負(fù)值區(qū)消失,但DB1至隔舌處圓周速度值相對(duì)較低,該區(qū)域徑向速度正負(fù)交替,絕對(duì)值相對(duì)較低。隔舌右側(cè)圓周速度較高。

在1.0qdes工況下,不同導(dǎo)葉安放位置下不同時(shí)刻(T1、T2、T3)的蝸殼進(jìn)口回轉(zhuǎn)面圓周速度和徑向速度分布,如圖7所示。

圖7 1.0qdes工況下導(dǎo)葉出口回轉(zhuǎn)面圓周速度和徑向速度分布

由圖7可見(jiàn),此時(shí)圓周速度與徑向速度大于0.8qdes工況,其分布規(guī)律與0.8qdes工況相似。

在1.2qdes工況下,不同導(dǎo)葉安放位置下不同時(shí)刻(T1、T2、T3)的蝸殼進(jìn)口回轉(zhuǎn)面圓周速度和徑向速度分布,如圖8所示。

圖8 1.2qdes工況下導(dǎo)葉出口回轉(zhuǎn)面圓周速度和徑向速度分布

圖8中,大流量工況下,圓周速度與徑向速度明顯高于設(shè)計(jì)工況與小流量工況下的值,但其分布規(guī)律與小流量工況相似。

在設(shè)計(jì)工況和大流量下,其徑向速度和圓周速度的變化規(guī)律與小流量下相似。

3種流量工況下,該回轉(zhuǎn)面時(shí)均速度矢量圖和時(shí)均壓力圓周分布曲線,如圖9所示。

圖9 蝸殼進(jìn)口回轉(zhuǎn)面時(shí)均速度矢量

由圖9可見(jiàn):隨著導(dǎo)葉葉片尾緣靠近隔舌,在尾緣處壓力急速增大,隨著葉片遠(yuǎn)離隔舌,尾緣處壓力增幅明顯減弱。

由圖6～圖9可見(jiàn):導(dǎo)葉安放位置對(duì)隔舌處的導(dǎo)葉流道出口流態(tài)影響很大,對(duì)其他流道影響相對(duì)較小;不同導(dǎo)葉安放位置下,隔舌處流道流態(tài)差異導(dǎo)致蝸殼來(lái)流具有顯著差別,進(jìn)而影響蝸殼內(nèi)流場(chǎng),導(dǎo)致不同導(dǎo)葉安放位置下蝸殼水力損失差異顯著。

2.3 蝸殼內(nèi)部總壓變化過(guò)程分析

在設(shè)計(jì)流量下,蝸殼六個(gè)截面上時(shí)均總壓變化曲線如圖10所示。

圖10 設(shè)計(jì)流量下六個(gè)截面下總壓變化曲線

由圖10可見(jiàn):不同導(dǎo)葉安放位置下,導(dǎo)葉出口回轉(zhuǎn)面總壓在截面S1處差別相對(duì)較小,該種差別主要由不同導(dǎo)葉安放位置下葉輪和導(dǎo)葉總壓降不同導(dǎo)致;但由于不同導(dǎo)葉安放位置導(dǎo)葉內(nèi)部和葉輪內(nèi)部總壓降變化較小,且葉輪軸功率變化較小,因此S1截面總壓在不同導(dǎo)葉安放位置下差別較小。

在截面S2處,其總壓差別相對(duì)較大,表明流體由導(dǎo)葉進(jìn)入蝸殼螺旋段時(shí),其流態(tài)受導(dǎo)葉安放位置影響較大,導(dǎo)致其水力損失差異顯著。由蝸殼螺旋段內(nèi)即截面S2至截面S6處總壓變化可見(jiàn),不同導(dǎo)葉安放位置對(duì)螺旋段內(nèi)總壓影響較大,尤其是當(dāng)導(dǎo)葉安放在θd4處時(shí),其總壓由S2～S6處變化相對(duì)較小,而θd1～θd3時(shí)總壓下降明顯。這說(shuō)明導(dǎo)葉安放位置對(duì)蝸殼螺旋段內(nèi)流態(tài)影響重大,導(dǎo)致不同導(dǎo)葉安放位置下蝸殼總壓降差異顯著。

結(jié)合前述分析可知,導(dǎo)葉安放位置對(duì)隔舌處導(dǎo)葉流道流場(chǎng)影響最大,因此導(dǎo)葉安放位置對(duì)蝸殼水力損失的影響主要集中在其對(duì)隔舌處及蝸殼螺旋段內(nèi)流場(chǎng)的影響。

設(shè)計(jì)流量下,不同導(dǎo)葉安放位置的蝸殼中截面壓力及速度流線分布如圖11所示。

圖11 設(shè)計(jì)流量下不同導(dǎo)葉安放位置的蝸殼中截面壓力及流線分布

當(dāng)導(dǎo)葉安放在θd1位置時(shí),隔舌前部出現(xiàn)漩渦(見(jiàn)圖11中方形標(biāo)識(shí)區(qū))。隔舌兩側(cè)呈較大的壓力梯度,隔舌前部蝸殼流道通流性明顯優(yōu)于蝸殼小過(guò)流斷面處,導(dǎo)致隔舌前部導(dǎo)葉出口徑向速度顯著高于蝸殼小過(guò)流斷面處,隔舌前部壓力顯著低于隔舌后側(cè)蝸殼小過(guò)流斷面處壓力。此時(shí)導(dǎo)葉片尾緣DB1正對(duì)隔舌,其與隔舌形成狹窄間隙,在高逆壓梯度作用下,間隙出處形成堵塞作用,流體在該處反向流動(dòng),出現(xiàn)負(fù)圓周速度,與蝸殼螺旋段主流共同作用導(dǎo)致隔舌前部形成漩渦。該漩渦與蝸殼螺旋段大尺度回流渦(細(xì)箭頭所示)共同作用,影響隔舌前部區(qū)域(見(jiàn)橢圓形標(biāo)識(shí)區(qū)),導(dǎo)致螺旋段主流向蝸殼外側(cè)偏移(粗箭頭所示)。

當(dāng)導(dǎo)葉安放在θd2處時(shí),導(dǎo)葉片DB1位于隔舌后部蝸殼小過(guò)流斷面處,此時(shí)在葉片尾緣高逆壓梯度作用下依然存在漩渦,葉片尾緣至隔舌區(qū)域存在部分回流。隔舌前部漩渦消失,但由于隔舌附近圓周速度依然為負(fù)值,即回流依然存在,其蝸殼螺旋段大尺度回流區(qū)對(duì)隔舌前部影響有所下降,但依然存在(見(jiàn)橢圓標(biāo)識(shí)區(qū)),主流依然向外側(cè)偏移。當(dāng)導(dǎo)葉安放在θd3處時(shí),其大尺度回流渦的影響進(jìn)一步降低。當(dāng)導(dǎo)葉安放在θd4時(shí),導(dǎo)葉片尾緣DB1處漩渦消失,其高逆壓梯度消失。此時(shí)DB1至隔舌區(qū)域圓周速度呈正值,回流消失,蝸殼螺旋段大尺度回流影響區(qū)對(duì)隔舌前部影響顯著下降,對(duì)隔舌前部(橢圓標(biāo)識(shí)區(qū))導(dǎo)葉出口流體出流影響較小,隔舌處流場(chǎng)分布較為均勻,流體進(jìn)入螺旋段后受大尺度回流渦的影響也下降。

蝸殼螺旋段大尺度回流渦影響隔舌前部流動(dòng),導(dǎo)致主流向外側(cè)偏移,在垂直于流線方向上產(chǎn)生較大的速度梯度,在流體黏性作用下造成較大的水力損失。

設(shè)計(jì)流量下,中截面速度在垂直于速度方向上的梯度分布及剪切應(yīng)變率分布,如圖12所示。

圖12 設(shè)計(jì)流量下不同導(dǎo)葉安放位置時(shí)蝸殼出口段速度梯度及剪切應(yīng)變率分布

由圖12可見(jiàn):在導(dǎo)葉片DB1尾緣漩渦區(qū),其速度梯度較為顯著。同時(shí),在蝸殼螺旋段大尺度回流渦與螺旋段主流之間存在較大的速度梯度。

當(dāng)導(dǎo)葉安放位置在θd1～θd3位置時(shí),由于大尺度回流渦對(duì)隔舌前部流體影響,導(dǎo)致主流向外側(cè)偏移,主流與回流區(qū)之間存在較大速度梯度(見(jiàn)實(shí)線箭頭)。當(dāng)導(dǎo)葉安放在θd4時(shí),螺旋段大尺度回流區(qū)影響顯著減小,其速度梯度顯著下降(見(jiàn)虛線箭頭)。此時(shí),隔舌前部存在一較大速度梯度區(qū)(見(jiàn)點(diǎn)劃線箭頭),該處由導(dǎo)葉片DB5尾緣射流引起;需要說(shuō)明的是,在其他導(dǎo)葉安放位置處,導(dǎo)葉尾緣射流區(qū)速度梯度也顯著高于其附近區(qū)域。由剪切應(yīng)變率分布,可見(jiàn)不同導(dǎo)葉安放位置的蝸殼中的截面剪切應(yīng)變率分布情況。剪切應(yīng)變率分布趨勢(shì)與速度梯度分布趨勢(shì)類似,主要出現(xiàn)在導(dǎo)葉尾緣漩渦區(qū)及高速度梯度區(qū)。由于流體黏性存在,導(dǎo)致機(jī)械能不可逆地向熱力學(xué)能轉(zhuǎn)變,造成嚴(yán)重水力損失[27]。

綜上所述,導(dǎo)葉安放位置對(duì)隔舌附近流場(chǎng)影響顯著,進(jìn)而影響蝸殼內(nèi)水力損失。合理的導(dǎo)葉安放位置,可有效改善隔舌處流場(chǎng)分布,降低蝸殼螺旋段水力損失。

3 結(jié)束語(yǔ)

筆者采用數(shù)值模擬方法,研究了離心泵導(dǎo)葉安放位置對(duì)蝸殼水力損失的影響,并采用試驗(yàn)的方式對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證;分析了評(píng)估各過(guò)流部件總壓降,研究了蝸殼來(lái)流條件變化與蝸殼總壓降變化規(guī)律,揭示了導(dǎo)葉安放位置對(duì)蝸殼水力損失的影響規(guī)律。

研究結(jié)論如下:

1)導(dǎo)葉安放位置對(duì)離心泵外特性影響顯著,隨著流量的增大,不同導(dǎo)葉安放位置下?lián)P程或效率差異逐漸增大。當(dāng)導(dǎo)葉出口邊位于隔舌附近時(shí),其揚(yáng)程和效率最小,隨著導(dǎo)葉遠(yuǎn)離隔舌,揚(yáng)程和效率逐漸增大。在設(shè)計(jì)流量下,揚(yáng)程最大值和最小值差異約為4.8%,效率差異約為3.5%;

2)導(dǎo)葉安放位置對(duì)離心泵性能的影響主要在于其嚴(yán)重影響蝸殼總壓降。當(dāng)導(dǎo)葉位于隔舌處時(shí),蝸殼總壓降最大,此時(shí)揚(yáng)程和效率最小。隨著導(dǎo)葉葉片遠(yuǎn)離隔舌,蝸殼總壓降逐漸降低;當(dāng)導(dǎo)葉安放位置為θd4時(shí),其蝸殼總壓降最低,此時(shí)離心泵揚(yáng)程和效率高于其他3個(gè)導(dǎo)葉安放位置;

3)同導(dǎo)葉安放位置下,蝸殼進(jìn)口邊流態(tài)差異顯著,主要表現(xiàn)為隔舌附近導(dǎo)葉流道出口徑向速度等流場(chǎng)參數(shù)的巨大差異。當(dāng)導(dǎo)葉安放在θd1時(shí),導(dǎo)葉流道DB1-DB2徑向速度遠(yuǎn)小于其他導(dǎo)葉流道,導(dǎo)葉流道DB5-DB1徑向速度遠(yuǎn)大于其他流道,蝸殼進(jìn)口邊流場(chǎng)嚴(yán)重不均勻。隨著導(dǎo)葉安放位置由θd1變?yōu)棣萪4,兩流道徑向速度差異逐漸降低,蝸殼進(jìn)口邊流場(chǎng)均勻性增強(qiáng)。

4)導(dǎo)葉出口至隔舌附近截面總壓降受導(dǎo)葉安放位置影響較大。當(dāng)導(dǎo)葉安放在θd1～θd3位置時(shí),蝸殼螺旋段總壓降顯著大于其在θd4位置時(shí)。當(dāng)導(dǎo)葉安放在θd1時(shí),蝸殼出口螺旋段漩渦影響隔舌前部區(qū)域,導(dǎo)葉出口流體向外側(cè)偏移,在主流區(qū)和回流區(qū)之間造成較大的速度梯度,導(dǎo)致較大的水力損失。當(dāng)導(dǎo)葉安放在θd4時(shí),漩渦影響區(qū)減小,蝸殼前部流場(chǎng)分布相對(duì)均勻,蝸殼內(nèi)速度梯度下降,水力損失降低。

筆者后續(xù)的研究方向?yàn)?1)隨著導(dǎo)葉安放位置變化,蝸殼水力損失最小值點(diǎn)應(yīng)為最佳導(dǎo)葉安放位置,需研究該位置處非定常湍流現(xiàn)象;2)可優(yōu)化過(guò)流部件,削弱導(dǎo)葉安放位置的影響。