葉片隆起對(duì)離心泵空化性能的影響

收稿日期： 2022-07-25； 修回日期： 2022-11-02； 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間： 2024-06-24

網(wǎng)絡(luò)出版地址： https：//link.cnki.net/urlid/32.1814.TH.20240621.1304.016

基金項(xiàng)目： 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（52179084，52379090）

第一作者簡(jiǎn)介： 劉厚林（1971—），男，江蘇溧水人，研究員，博士生導(dǎo)師（通信作者，liuhoulin@ujs.edu.cn），主要從事現(xiàn)代泵設(shè)計(jì)理論與應(yīng)用研究．

第二作者簡(jiǎn)介： 顧建彬（1997—），男，江蘇南通人，碩士研究生（863793572@qq.com），主要從事氣液兩相流動(dòng)研究．

摘要： 提出一種在葉片工作面布置隆起結(jié)構(gòu)來(lái)提高離心泵抗空化性能的方法，基于RNG k－ε湍流模型和Kubota空化模型對(duì)離心泵非定常工況下的空化流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)初始葉型和隆起葉型下的空化發(fā)展進(jìn)行對(duì)比分析.結(jié)果表明：在未發(fā)生空化階段，隆起葉型的泵揚(yáng)程較初始光滑葉型有小幅度下降；在空化數(shù)減小至0.43時(shí)，隆起葉型的揚(yáng)程大于原始葉型，其中隆起直徑為2 mm的揚(yáng)程最高；隆起結(jié)構(gòu)延緩了空化的發(fā)生，表現(xiàn)出對(duì)空化現(xiàn)象的良好抑制效果；在空化發(fā)展階段，葉片工作面的隆起結(jié)構(gòu)增大了葉片工作面面積和表面粗糙度，改變了葉輪內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)，在近壁面處形成了相對(duì)高壓和高湍動(dòng)能區(qū)域，增大了壓力梯度，減小了葉輪進(jìn)口低壓區(qū)面積，有效抑制空化的發(fā)生和發(fā)展，減小空泡體積；在不同的空化發(fā)展階段，隆起結(jié)構(gòu)在工作面的不同位置未對(duì)空化發(fā)展產(chǎn)生明顯影響.

關(guān)鍵詞： 離心泵；隆起葉型；抑制空化；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)： S277.9；TH311" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A" 文章編號(hào)： 1674-8530（2024）07-0649-08

DOI：10.3969/j.issn.1674-8530.22.0183

劉厚林，顧建彬，王勇，等.葉片隆起對(duì)離心泵空化性能的影響［J］. 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2024，42（7）： 649-656.

LIU Houlin，GU Jianbin， WANG Yong，et al.Effect of raised blade on cavitation performance of centrifugal pumps［J］. Journal of drainage and irrigation machinery engineering（JDIME）， 2024， 42（7）： 649-656.（in Chinese）

Effect of raised blade on cavitation performance of centrifugal pumps

LIU Houlin*， GU Jianbin，" WANG Yong， WANG Xiaolin， LI Ming

（National Research Center of Pumps， Jiangsu University， Zhenjiang， Jiangsu 212013， China）

Abstract： A method was proposed to improve the cavitation performance of centrifugal pumps by arranging a raised structure on the blade working surface. Based on the RNG k-ε turbulence model and Kubota cavitation model， the three-dimensional unsteady cavitation flow was numerically simulated， and the cavitation development under the initial blade profile and raised blade profile was analyzed in detail. The simulation results show that the head of the raised blade profile is slightly lower than that of the initial smooth blade profile before cavitation occurres. When the cavitation number is reduced to lower than 0.43， the head of the raised blade is higher than that of the initial blade， the head with 2 mm raised diameter is the highest. The raised structure delays the occurrence of cavitation and shows a good inhibition effect on cavitation phenomenon. In the stage of cavitation development， the raised structure of the blade working surface increases the area and surface roughness of the blade working surface， which changes the internal flow channel structure of the impeller， forms a relatively high-pressure area and high turbulent kinetic energy near the wall. The pressure gradient increases， and the area of the low-pressure area at the impeller inlet reduces， which effectively reduces the cavitation volume， and inhibits the occurrence and development of cavitation. At different stages of cavitation development， the raised structure at different positions on the working face has no significant impact on cavitation development.

Key words： centrifugal pump；raised blade；cavitation suppression；numerical simulation

離心泵廣泛應(yīng)用于電力、冶金、煤炭、深海采礦等眾多領(lǐng)域，在經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)中具有重要作用［1］.空化是離心泵運(yùn)行過(guò)程中常見(jiàn)的一種物理現(xiàn)象，是指當(dāng)液體內(nèi)部壓力降低時(shí)，液體內(nèi)部或固液交界面上蒸汽或氣體的空穴（空泡）的形成、發(fā)展和潰滅的過(guò)程［2-3］.空化會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)與噪聲，影響離心泵內(nèi)部流動(dòng)的穩(wěn)定性，更會(huì)導(dǎo)致泵水力性能的下降［4-6］.為了抑制離心泵內(nèi)部空化流動(dòng)，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量研究.帥澤豪等［7］研究發(fā)現(xiàn)葉根圓弧結(jié)構(gòu)可以顯著提升燃油泵的空化性能.司喬瑞等［8］提出改變?nèi)~輪與隔舌的間隙來(lái)抑制離心泵空化，發(fā)現(xiàn)當(dāng)葉輪和隔舌的間隙率為15%時(shí)，能顯著降低噪聲并提高模型泵的臨界空化余量.張翔等［9］通過(guò)PB-NSGA-Ⅲ算法對(duì)高速泵葉輪進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了空化性能.牟介剛等［10-13］采用引射吸水室、構(gòu)建仿生非光滑表面蝸殼、采用長(zhǎng)短葉片交錯(cuò)排列以及在葉片吸力面設(shè)置仿生粗糙帶等方式，將泵出口位置的部分高壓流體引導(dǎo)至進(jìn)口處以提高泵進(jìn)口壓力，減小空化低壓帶，進(jìn)而改善離心泵內(nèi)部非定常流場(chǎng).趙偉國(guó)等［14］在葉片工作面布置障礙物，阻擋回射流并抑制空泡體積的增長(zhǎng).代翠等［15］在葉片壓力面和吸力面布置半球形障礙物，減小葉輪進(jìn)口處低壓區(qū)域，使葉輪進(jìn)口處不易發(fā)生空化.劉媛媛等［16］在葉片上選擇合理的開(kāi)縫寬度和角度，將工作面的高壓流體引流至背面的低壓區(qū)域以減小空泡的破壞.李清華［17］在葉片吸力面前緣設(shè)置不同結(jié)構(gòu)的粗糙帶，改變?nèi)~輪內(nèi)部湍動(dòng)能來(lái)提高抗汽蝕效果.

文中在以上研究的基礎(chǔ)上，提出一種在葉片工作面布置隆起結(jié)構(gòu)來(lái)抑制空化的方法，并應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法比較葉片改型前后離心泵內(nèi)部流場(chǎng)和空泡分布，分析隆起結(jié)構(gòu)對(duì)空化流動(dòng)的抑制作用，從而為離心泵的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供一定參考.

1" 物理模型及計(jì)算前處理

1.1" 物理模型

以某型號(hào)中比轉(zhuǎn)數(shù)單級(jí)單吸離心泵為研究對(duì)象，該泵設(shè)計(jì)性能參數(shù)分別為流量Qd=30 m3/h，揚(yáng)程H=8 m，轉(zhuǎn)速n=1 450 r/min，比轉(zhuǎn)數(shù)ns=101.6；主要設(shè)計(jì)幾何參數(shù)分別為葉輪進(jìn)口直徑D1=90 mm，葉輪出口直徑D2=170 mm，葉片出口寬度b=12 mm，葉片數(shù)Z=6.

采用NX10.0對(duì)離心泵計(jì)算域進(jìn)行三維建模，計(jì)算域由葉輪、蝸殼、進(jìn)口段和出口段等4部分組成，其中進(jìn)口段、出口段分別延長(zhǎng)為葉輪進(jìn)口、蝸殼出口直徑的4倍，以保證流場(chǎng)穩(wěn)定.根據(jù)已有離心泵葉片障礙物的形狀位置研究，葉片優(yōu)化改型仍采用扭曲葉片，將隆起結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1）分別布置于葉片工作面15%，30%和45%位置處，結(jié)構(gòu)形狀為半圓柱體，直徑D分別為2，4，6 mm，共9種改型葉片方案，如表1所示.

1.2" 計(jì)算前處理

采用壁面函數(shù)法對(duì)近壁區(qū)的內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算.由于求解黏性底層對(duì)近壁區(qū)第一層網(wǎng)格尺寸要求不同，采用Y+值檢驗(yàn)與壁面最近節(jié)點(diǎn)的位置，以確保近壁區(qū)有足夠的節(jié)點(diǎn)數(shù)，文中Y+值為30～80.選用RNG k-ε高雷諾數(shù)湍流模型，以保證在流場(chǎng)模擬中具有較高的適應(yīng)性.

采用ICEM前處理軟件對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為減小網(wǎng)格數(shù)N對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，劃分5套網(wǎng)格，以揚(yáng)程H為判據(jù)，進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，如圖2所示.

由圖2可以看出，隨著網(wǎng)格數(shù)增大，揚(yáng)程減小，但變化量較小，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)大于10萬(wàn)時(shí)，不同方案中揚(yáng)程變化率小于1%，達(dá)到無(wú)關(guān)性驗(yàn)證要求.綜合考慮計(jì)算時(shí)間和計(jì)算精度，最終確定計(jì)算域總網(wǎng)格數(shù)為1 568 651，其中葉輪、蝸殼、進(jìn)口段、出口段的網(wǎng)格數(shù)分別為368 133，1 028 762，102 672，69 120.

2" 數(shù)值計(jì)算方法

2.1" 流動(dòng)控制方程

離心泵內(nèi)部流動(dòng)為三維不可壓縮黏性流體的湍流運(yùn)動(dòng)，采用的控制方程為質(zhì)量守恒方程（連續(xù)性方程）和基于RANS（雷諾時(shí)均）的動(dòng)量守恒方程［18］.

質(zhì)量守恒方程為

ρmt+（ρmui）xi=0，（1）

式中：ρm為混合流體密度；t為時(shí)間；ui為速度在xi坐標(biāo)軸方向上的分量.

動(dòng)量方程為

（ρmui）t+（ρmuiuj）xj=－pxi+xjμmuixj，（2）

式中：p為壓力；μm為混合流體黏度；uj為速度在坐標(biāo)軸xj方向上的分量.

2.2" 湍流模型

離心泵工作時(shí)內(nèi)部為高度復(fù)雜的三維非穩(wěn)態(tài)、帶旋轉(zhuǎn)的不規(guī)則湍流流動(dòng)，基于Navier-Stokes方程，選擇RNG k-ε湍流模型［19］，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

kt+ujkxj=xjν+νtσkkxj+Gk－ε，（3）

εt+ujεxj=xjν+νtσεεxj+

Cε1εkGk－Cε2ε2k－Rc，（4）

其中

Rc=ζ1－ζζ01+βζ3εkGk，（5）

νt=Cμk2ε，（6）

以上式中：k為湍動(dòng)能；ε為湍動(dòng)能耗散率；ν為運(yùn)動(dòng)黏度；νt為湍流黏度；Gk為湍動(dòng)能生成項(xiàng)；Rc為源項(xiàng)；ζ為變量；Cε1=1.420，Cε2=1.680，Cμ=0.084 5，σk=0.717 9，σε=0.717 9，ζ0=4.380，β=0.012.

2.3" 空化模型

基于簡(jiǎn)化的Rayleigh-Plesset空化方程，選擇Kubota空化模型進(jìn)行求解［20］.Kubota空化模型考慮了空化初生和發(fā)展時(shí)空泡體積變化的影響，其輸運(yùn)方程為

t（ρmfv）+xi（ρmuifv）=Γlv－Γvl，（7）

當(dāng)plt;pv時(shí)，

Γlv=Fvap3αnuc（1－αv）Rρv2（pv－p）3ρ1，（8）

當(dāng)p≥pv時(shí)，

Γvl=Fcon3αvRρv2（p－pv）3ρ1，（9）

以上式中：fv為氣相質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Γlv為液相蒸發(fā)速率；Γvl為氣相冷凝速率；αv為蒸汽體積分?jǐn)?shù)；ρv為飽和蒸汽密度；p為液體周圍壓力；pv為飽和蒸汽壓，取pv=3 169 Pa；ρ1為液體密度；Fvap，F(xiàn)con分別為蒸發(fā)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)和冷凝經(jīng)驗(yàn)系數(shù)［21］，取Fvap=50，F(xiàn)con=0.01；αnuc為氣核體積分?jǐn)?shù)，取αnuc=5.0×10-4；R為氣泡半徑，取R=1.0×10-6 m.

2.4" 邊界條件及計(jì)算參數(shù)設(shè)置

應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件CFX18.0對(duì)離心泵內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算求解，邊界條件分別設(shè)置為總壓進(jìn)口、質(zhì)量流量出口、無(wú)滑移壁面.系統(tǒng)參考?jí)毫υO(shè)為0，空化臨界壓力取純水在常溫25 ℃下的飽和蒸汽壓3 169 Pa.

總計(jì)算時(shí)長(zhǎng)取5個(gè)葉輪旋轉(zhuǎn)周期，葉輪每旋轉(zhuǎn)4°為1個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)，每步迭代計(jì)算20次，收斂精度設(shè)為1.0×10-5.

2.5" 數(shù)值計(jì)算方法可靠性驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算方法的可靠性，在江蘇大學(xué)國(guó)家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心閉式試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行離心泵外特性試驗(yàn).圖3為模型泵揚(yáng)程和效率隨流量變化的試驗(yàn)值與計(jì)算值的對(duì)比.

由圖3可以看出：不同流量下?lián)P程的計(jì)算值與試驗(yàn)值的偏差小于4.5%，較大差值均在小流量0.8Qd之下，在設(shè)計(jì)流量工況時(shí)，揚(yáng)程的計(jì)算值與試驗(yàn)值幾乎吻合；不同流量下效率的計(jì)算值與試驗(yàn)值的偏差小于3.5%，且僅在0.8Qd時(shí)出現(xiàn)較大差值，其余流量時(shí)均有較高的擬合度；整體上，揚(yáng)程和效率的計(jì)算值與試驗(yàn)值符合較好，且趨勢(shì)一致，這表明文中所采用的數(shù)值計(jì)算方法是可靠的.

3" 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1" 隆起結(jié)構(gòu)對(duì)外特性及空化特性的影響

在不同流量工況下，采用9種改型葉片和初始葉型時(shí)的離心泵外特性曲線如圖4所示.

由圖4a可以看出：在不同流量工況下，初始葉型的揚(yáng)程最高；隆起結(jié)構(gòu)圓柱體直徑D=2 mm時(shí)，采用9種改型葉片的離心泵揚(yáng)程與采用初始葉型的離心泵揚(yáng)程十分接近，差值均小于1%；D=4，6 mm時(shí)，在小流量工況下，揚(yáng)程下降明顯，最大降低3%，且隨著隆起結(jié)構(gòu)向葉輪出口偏移，下降越大；在隆起結(jié)構(gòu)位置為10%和30%處，D=2 mm時(shí)的泵揚(yáng)程比較接近初始葉型時(shí)的.D=4，6 mm時(shí)的泵揚(yáng)程降幅較大，但兩者間相差不大；在隆起結(jié)構(gòu)位置為45%處，不同隆起直徑的揚(yáng)程下降程度較為接近.

由圖4b可以看出：在不同流量工況下，采用初始葉型的離心泵效率最高，并在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)達(dá)到最高值；采用改型葉片對(duì)泵效率的影響較小，差值均在2%以內(nèi).

在葉片壓力面不同位置布置不同直徑的隆起結(jié)構(gòu)后，離心泵的揚(yáng)程和效率均表現(xiàn)出小幅度的下降，具體表現(xiàn)為隨隆起結(jié)構(gòu)圓柱體直徑增大而減小，這說(shuō)明隆起結(jié)構(gòu)在葉片壓力面形成粗糙帶，相當(dāng)于在流道內(nèi)設(shè)置障礙，阻擋了流體流動(dòng)，形成二次流，并且在隆起結(jié)構(gòu)后部易產(chǎn)生小的旋渦，增加了流動(dòng)的復(fù)雜性和能量的耗散，造成揚(yáng)程和效率降低.隆起直徑較小時(shí)，流動(dòng)可以較好地?cái)M合光滑葉片的流動(dòng)曲線，對(duì)揚(yáng)程效率的影響較小.同時(shí)，葉輪進(jìn)口處壓力較中段及出口處更小，在靠近進(jìn)口處布置隆起結(jié)構(gòu)，可產(chǎn)生更大的壓力梯度變化，對(duì)揚(yáng)程和效率的影響更大.

通過(guò)降低葉輪進(jìn)口處壓力，使離心泵內(nèi)部流動(dòng)發(fā)生空化，對(duì)比不同葉型時(shí)空化形態(tài)的發(fā)展，分析隆起結(jié)構(gòu)對(duì)離心泵內(nèi)部空化的影響規(guī)律.引入量綱一的空化數(shù)σ作為判斷空化發(fā)展程度的依據(jù)，定義為

σ=p－pv12ρU2，（10）

式中：U為葉輪進(jìn)口處流體速度.

圖5為采用10種葉型時(shí)的離心泵揚(yáng)程隨空化數(shù)的變化曲線，可以看出：當(dāng)空化數(shù)σ=0.43時(shí)，10種葉型的泵揚(yáng)程都下降約3.0%，可以認(rèn)為在空化初生階段，葉片隆起對(duì)離心泵揚(yáng)程的影響并不明顯；當(dāng)空化數(shù)減小至0.26時(shí)，采用初始葉型的泵揚(yáng)程驟降至6.88 m，降幅約14.6%；采用隆起葉型的泵揚(yáng)程均高于原型泵，表現(xiàn)出對(duì)空化的抑制作用，其中采用隆起位置為45%、隆起直徑為2 mm葉型的泵揚(yáng)程最高，為7.09 m，對(duì)空化現(xiàn)象的抑制效果最為顯著.

3.2" 隆起結(jié)構(gòu)對(duì)壓力及空泡分布的影響

由前文分析已知，布置于葉片工作面15%位置處的隆起結(jié)構(gòu)對(duì)泵內(nèi)流場(chǎng)的影響較為明顯.因此，選取采用隆起位置15%處、直徑分別為2，4，6 mm的葉型方案，對(duì)離心泵內(nèi)部壓力和空泡分布進(jìn)行計(jì)算，并與初始葉型進(jìn)行對(duì)比，分析隆起葉型對(duì)離心泵內(nèi)部空化的影響.

圖6為不同空化數(shù)下，分別采用初始葉型和隆起位置15%處的葉型時(shí)，離心泵葉輪中間截面壓力等值線及空泡分布，圖中藍(lán)色區(qū)域?yàn)闅庀囿w積分?jǐn)?shù)大于1%的空泡分布，作紅色圓圈輔助線以觀察空泡分布的變化，紅色圓圈的直徑為葉輪出口直徑的1/2.

由圖6可以看出：從葉輪進(jìn)口開(kāi)始，低壓區(qū)域和片狀空泡首先出現(xiàn)在葉片吸力面，隨著空化數(shù)減小，低壓區(qū)域面積不斷擴(kuò)大，片狀空泡向葉片工作面擴(kuò)散形成云狀空泡，最終沿流道向葉輪出口擴(kuò)張，空泡促進(jìn)低壓區(qū)域的出現(xiàn)和湍流的產(chǎn)生，而低壓區(qū)域和湍流也會(huì)反過(guò)來(lái)促進(jìn)空泡的產(chǎn)生和潰滅，這與劉祥等［22］的研究結(jié)果一致；對(duì)比未發(fā)生空化和空化初生階段，即空化數(shù)為1.17，0.74和0.43時(shí)，葉片改型后的壓力未發(fā)生明顯變化，但空泡分布有略微提升，這是因?yàn)樵谖窗l(fā)生空化和空化初生時(shí)，葉輪內(nèi)部壓力大，低壓區(qū)域面積和壓力梯度較小，未產(chǎn)生大量空泡，但流體在流經(jīng)隆起結(jié)構(gòu)后發(fā)生分離，容易產(chǎn)生小的旋渦，從而導(dǎo)致了少量空泡產(chǎn)生；當(dāng)空化發(fā)展到一定階段，即空化數(shù)達(dá)到0.26時(shí)，采用改型葉片的葉輪中間截面低壓區(qū)域和空泡面積均小于采用初始葉型的，空泡的分布占比呈明顯減小的趨勢(shì)，說(shuō)明隆起結(jié)構(gòu)使離心泵的抗汽蝕性能具有一定的提升.

通過(guò)在葉片壓力面布置隆起結(jié)構(gòu)，改變了葉輪的內(nèi)部流道，在葉片表面形成逆壓梯度，工作面壓力增大，有效阻止了低壓區(qū)域和空泡向葉輪出口的擴(kuò)張.隆起結(jié)構(gòu)對(duì)空化發(fā)展時(shí)的壓力及空泡分布有明顯影響，起到了抑制空化發(fā)展的作用.

由圖6還可以看出：在未發(fā)生空化及空化初生階段，即空化數(shù)為1.17，0.74和0.43時(shí)，隆起結(jié)構(gòu)的直徑變化并未對(duì)壓力場(chǎng)和空泡的分布產(chǎn)生明顯的影響；當(dāng)空化數(shù)降至0.26時(shí)，即空化發(fā)展階段，隨著隆起直徑增大，低壓區(qū)域和空泡區(qū)域所占的面積也在增大；當(dāng)空化數(shù)降為0.26時(shí)，在直徑2 mm隆起葉片的葉輪進(jìn)口處低壓區(qū)域和空泡區(qū)域面積最小，可以認(rèn)為直徑為2 mm隆起葉片的抗汽蝕性能最突出，這說(shuō)明隆起結(jié)構(gòu)的直徑變化在嚴(yán)重空化階段對(duì)空化有一定的影響，直徑越小，抑制效果越好.

3.3" 隆起結(jié)構(gòu)對(duì)湍動(dòng)能的影響

湍動(dòng)能反映了湍流運(yùn)動(dòng)的劇烈程度.在空化流動(dòng)中，湍動(dòng)能分布與空泡有關(guān)，在空化處于穩(wěn)定狀態(tài)或無(wú)空化產(chǎn)生的區(qū)域，即片狀、團(tuán)狀空泡內(nèi)部和無(wú)空泡區(qū)域，湍動(dòng)能接近為0.在空化處于不斷變化的狀態(tài)和區(qū)域，即在空泡產(chǎn)生、潰滅時(shí)以及在空泡的氣液交界區(qū)域，湍動(dòng)能較大，且空泡變化越劇烈，湍動(dòng)能越大.

圖7為不同空化數(shù)下，分別采用初始葉型和15%位置處2 mm直徑隆起葉型的葉輪中間截面湍動(dòng)能分布，可以看出：未發(fā)生空化時(shí)，采用初始葉型的離心泵只有葉輪出口靠近蝸殼隔舌處湍動(dòng)能較大；當(dāng)空化數(shù)降至0.43時(shí)，泵內(nèi)部空化初生，葉輪進(jìn)口的空化已經(jīng)發(fā)展到穩(wěn)定狀態(tài)，空泡開(kāi)始由葉輪進(jìn)口沿流道向出口擴(kuò)散，葉輪進(jìn)口的湍動(dòng)能減小，整個(gè)流道內(nèi)的湍動(dòng)能增大；當(dāng)空化數(shù)繼續(xù)減小至0.26時(shí)，泵內(nèi)部已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重空化，空泡遍布整個(gè)流道，并在葉輪出口處潰滅，此時(shí)進(jìn)口湍動(dòng)能進(jìn)一步減小，流道內(nèi)湍動(dòng)能劇烈增大，而采用改型葉片的離心泵流道內(nèi)高湍動(dòng)能區(qū)域面積明顯減小，且集中于葉片吸力面及葉輪出口處，空化發(fā)展的速率減小，這說(shuō)明隆起結(jié)構(gòu)能有效阻隔空泡在流道內(nèi)的擴(kuò)散，改善流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，減少能量耗散，抑制空化發(fā)展；當(dāng)空化完全發(fā)展時(shí)，采用改型葉片的離心泵葉輪出口處湍動(dòng)能大幅減小且所占區(qū)域面積也有降低，抑制效果尤為明顯，隆起結(jié)構(gòu)對(duì)空化的初生及發(fā)展都表現(xiàn)出明顯的抑制作用.

3.4" 隆起結(jié)構(gòu)對(duì)空泡體積的影響

圖8為不同空化數(shù)下，分別采用初始葉型和15%位置處2 mm直徑隆起葉型的葉輪旋轉(zhuǎn)一周的內(nèi)部空泡體積分?jǐn)?shù)φ變化.

由圖8可以看出：當(dāng)σ=0.74，0.43時(shí)，采用初始葉型的葉輪內(nèi)部空泡在整個(gè)周期內(nèi)都略小于采用隆起葉型的，即空化初生階段，隆起結(jié)構(gòu)加劇了空泡的生成，這是由于空化發(fā)展初期葉輪內(nèi)部壓力大，低壓區(qū)域面積較小，未產(chǎn)生大量空泡，但流體在流經(jīng)隆起結(jié)構(gòu)后發(fā)生分離，容易產(chǎn)生小的旋渦，從而導(dǎo)致空泡產(chǎn)生，這與前文空泡分布分析結(jié)果一致；當(dāng)σ=0.26時(shí)，采用初始葉型和隆起葉型的葉輪內(nèi)部空泡體積分?jǐn)?shù)均值分別為0.075和0.057，即在空化發(fā)展階段，隆起葉型的葉輪內(nèi)部空泡明顯少于初始葉型，降幅為24%，這是由于葉片工作面的隆起結(jié)構(gòu)改變了流道結(jié)構(gòu)，在葉輪內(nèi)部壓力下降的同時(shí)湍動(dòng)能整體減小，并在葉片壁面形成了相對(duì)更高的壓力和湍動(dòng)能，二者耦合作用抑制了空泡的發(fā)展.

4" 結(jié)" 論

1） 在葉片工作面布置隆起結(jié)構(gòu)后，離心泵不同流量工況下的揚(yáng)程和效率均有下降.在未發(fā)生空化和空化初生階段的揚(yáng)程均比原模型低，當(dāng)空化數(shù)為0.26時(shí)，不同隆起葉片的揚(yáng)程比原模型約有3%的提升，即在嚴(yán)重空化階段隆起結(jié)構(gòu)對(duì)空化有明顯的抑制作用.

2） 葉片的隆起結(jié)構(gòu)減小了葉輪進(jìn)口低壓區(qū)和空泡區(qū)的面積，減緩了空化的發(fā)展.隆起結(jié)構(gòu)圓柱體直徑為D=2 mm時(shí)，低壓區(qū)面積最小，隆起位置對(duì)不同空化階段壓力場(chǎng)影響并不明顯.

3） 在空化初生及發(fā)展階段，葉片的隆起改善了流道結(jié)構(gòu)，顯著降低了流場(chǎng)內(nèi)湍動(dòng)能，抑制了空化的發(fā)展.

4） 在空化初生階段，隆起結(jié)構(gòu)誘發(fā)了流動(dòng)分離形成空泡，在空化發(fā)展階段，隆起結(jié)構(gòu)形成近壁面相對(duì)高壓和湍動(dòng)能，抑制空化的發(fā)展.

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（責(zé)任編輯" 陳建華）