導(dǎo)葉進(jìn)口角度對(duì)軸流泵水力性能的影響

摘要： 為研究導(dǎo)葉葉片進(jìn)口角度對(duì)于軸流泵性能的影響，采用CFD數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)導(dǎo)葉葉片不同翼型斷面的進(jìn)口角進(jìn)行非線性調(diào)節(jié)，共設(shè)計(jì)了9種不同導(dǎo)葉方案.同時(shí)基于熵產(chǎn)理論針對(duì)不同導(dǎo)葉進(jìn)口角條件下泵段內(nèi)部流動(dòng)水力損失進(jìn)行分析.結(jié)果表明：在大流量工況下，導(dǎo)葉葉片靠近輪轂側(cè)和輪緣側(cè)翼型斷面正進(jìn)口角度方向調(diào)節(jié)和水泵的效率具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；導(dǎo)葉輪轂側(cè)不同進(jìn)口角方案對(duì)效率的影響更加明顯，對(duì)于導(dǎo)葉消除環(huán)量能力的影響更加明顯；增大導(dǎo)葉葉片輪轂側(cè)進(jìn)口角度可以有效減小導(dǎo)葉和出水流道內(nèi)部的高熵產(chǎn)區(qū)域，收窄導(dǎo)葉片背部的低速區(qū)并且防止其延伸進(jìn)入出水流道，優(yōu)化導(dǎo)葉進(jìn)水條件及出水流道的內(nèi)部流態(tài)同時(shí)減小水力損失.研究結(jié)果有助于導(dǎo)葉水力性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)可以為提高軸流泵段的效率提供一定理論參考.

關(guān)鍵詞： 軸流泵；導(dǎo)葉優(yōu)化；水力損失可視化；模型試驗(yàn)；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）11-1104-08

DOI：10.3969/j.issn.1674-8530.24.0067

陳奕宇，孫毅，喬鳳權(quán)，等. 導(dǎo)葉進(jìn)口角度對(duì)軸流泵水力性能的影響[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2024，42（11）：1104-1111.

CHEN Yiyu， SUN Yi， QIAO Fengquan， et al. Effect of guide vane inlet angle on hydraulic performance of axialflow pumps[J]. Journal of drainage and irrigation machinery engineering （JDIME）， 2024， 42（11）： 1104-1111. （in Chinese）

Effect of guide vane inlet angle on hydraulic

performance of axialflow pumps

CHEN Yiyu1， SUN Yi2， QIAO Fengquan2， SHI Lijian1*， HAN Yi1， XUE Muzi1， CHAI Yao1

（1. College of Hydraulic Science and Engineering， Yangzhou University， Yangzhou， Jiangsu 225000， China; 2. SouthtoNorth Water Diversion （Jiangsu） Digital Intelligence Technology Co.， Ltd.， Nanjing， Jiangsu 210000， China）

Abstract： To examine the impact of the inlet angle of guide vanes on the performance of axialflow pumps， a methodology integrating computational fluid dynamics （CFD） numerical simulations with empirical model experiments was employed. This approach facilitated the nonlinear adjustment of the inlet angle of guide vanes featuring various airfoil sections. Nine different guide vane configurations were designed by nonlinearly adjusting the inlet angles of various airfoil crosssections. Simultaneously， utilizing the entropy production theory， an analysis was performed on the hydraulic losses associated with the internal flow within the pump section under varying inlet angles of the guide vanes. The findings indicate that， under high flow conditions， adjusting the inlet angles of the guide vane blades near the hub and the shroud side significantly affects the pump′s efficiency. Modifying the inlet angle on the hub side of the guide vane blade can significantly diminish the regions of high entropy production within the guide vane and outlet channel. This adjustment also constricts the lowspeed zone on the downstream side of the guide vane， preventing its extension into the outlet channel. Consequently， it enhances the inlet conditions of the guide vane and optimizes the internal flow dynamics of the outlet channel， thereby reducing hydraulic losses. The findings of this study facilitate the optimization of the hydraulic performance of guide vanes and offer theoretical insights for enhancing the efficiency of axialflow pumps.

Key words： axialflow pump;guide vane optimization;visualization of hydraulic loss;model test;numerical simulation

軸流泵具有流量大、揚(yáng)程低的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于灌溉、排澇、跨流域調(diào)水等方面[1-2].軸流泵段的主要過流部件包括葉輪、導(dǎo)葉和進(jìn)出水管道等[3]，其中導(dǎo)葉的作用是調(diào)節(jié)葉輪出口水流流向，將葉輪出口水流的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為軸向運(yùn)動(dòng)，消除葉輪出口水流的速度環(huán)量，并將部分旋轉(zhuǎn)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓能，減小葉輪出口至泵段出口的水力損失[4-5].在葉輪確定的情況下，導(dǎo)葉的水力設(shè)計(jì)對(duì)軸流泵的性能有直接的影響.

許多學(xué)者采用CFD數(shù)值模擬、熵產(chǎn)可視化等方法[6-7]對(duì)軸流泵進(jìn)行了大量研究，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉參數(shù)對(duì)泵段水力損失、內(nèi)部流場(chǎng)等產(chǎn)生重要影響[8-9].軸流泵導(dǎo)葉體參數(shù)主要包括進(jìn)口角度、出口角度、葉片數(shù)、翼型形狀、掃略角度等，常規(guī)導(dǎo)葉設(shè)計(jì)參數(shù)研究已取得較多的成果.石麗建等[10]對(duì)不同導(dǎo)葉葉片掃掠角度下軸流泵段水力特性進(jìn)行試驗(yàn)，表明當(dāng)導(dǎo)葉葉片前掠16°時(shí)，整流效果最好，泵效率最高.梁金棟等[11]研究了設(shè)計(jì)工況下軸流泵導(dǎo)葉出口速度環(huán)量對(duì)出水流道水力損失的影響，認(rèn)為存在一個(gè)可使出水流道水力損失最小的速度環(huán)量.嚴(yán)天序等[12]研究了導(dǎo)葉進(jìn)口角對(duì)軸流泵性能的影響，表明大流量工況下增大導(dǎo)葉進(jìn)口角可以提高軸流泵效率.陳悅婷等[13]通過正交試驗(yàn)對(duì)導(dǎo)葉水力模型進(jìn)行改型，改型后的導(dǎo)葉能夠改變裝置設(shè)計(jì)流量，使泵裝置高效區(qū)向大流量偏移，同時(shí)提高小流量工況下的泵裝置揚(yáng)程，降低大流量工況下的泵裝置揚(yáng)程.任向軒等[14]研究了導(dǎo)葉葉片數(shù)對(duì)軸流泵水力性能的影響，表明當(dāng)葉輪葉片數(shù)為4時(shí)，隨著導(dǎo)葉葉片數(shù)增大，導(dǎo)葉的水力損失逐漸增大.裴吉等[15]研究了不同導(dǎo)葉安裝角度下葉輪變形與等效應(yīng)力變化規(guī)律，并對(duì)葉輪結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性進(jìn)行模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)葉輪最大變形量和最大等效應(yīng)力值均在設(shè)計(jì)工況附近，都隨導(dǎo)葉安裝角度的減小而減小，最大差值為3.3%.李琪飛等[16]對(duì)活動(dòng)導(dǎo)葉翼型進(jìn)行改型設(shè)計(jì)，分析水泵水輪機(jī)組“S”特性改善情況，并對(duì)改型活動(dòng)導(dǎo)葉翼型前后機(jī)組的無葉區(qū)進(jìn)行壓力脈動(dòng)分析，發(fā)現(xiàn)改型后的活動(dòng)導(dǎo)葉可降低無葉區(qū)的壓力脈動(dòng)幅值，提升水泵水輪機(jī)運(yùn)行中的并網(wǎng)穩(wěn)定性.

軸流泵后置導(dǎo)葉體進(jìn)口角度從輪轂到輪緣的變化規(guī)律對(duì)導(dǎo)葉體水力損失及泵段綜合性能具有重要影響.目前，學(xué)者對(duì)導(dǎo)葉進(jìn)口角度變化規(guī)律研究較少，未探明其變化規(guī)律對(duì)泵性能的影響.文中采用CFD數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)導(dǎo)葉不同翼型斷面進(jìn)口角度進(jìn)行非線性調(diào)節(jié)，并利用水力損失可視化方法，研究非線性調(diào)節(jié)的不同導(dǎo)葉不同翼型斷面進(jìn)口角對(duì)軸流泵性能的影響，分析從導(dǎo)葉片進(jìn)口側(cè)輪轂至輪緣處角度的變化對(duì)泵段效率的影響能力.

1數(shù)值計(jì)算

1.1計(jì)算模型

所研究軸流泵主要設(shè)計(jì)性能參數(shù)分別為流量Qd=360 L/s，揚(yáng)程H=3.95 m，轉(zhuǎn)速n=1 450 r/min.葉輪直徑為300 mm，進(jìn)、出水管直徑均為350 mm，葉頂單邊間隙為0.2 mm.葉輪葉片數(shù)Zi=4，導(dǎo)葉葉片數(shù)Zg=7.軸流泵模型主要包括進(jìn)水直管、葉輪、導(dǎo)葉、60°彎頭和出水直管等5部分，其中進(jìn)水直管段和出水彎管段采用NX 12.0建模，葉輪和導(dǎo)葉體根據(jù)其三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)點(diǎn)采用Turbo-Grid建模，如圖1所示.

1.2導(dǎo)葉調(diào)節(jié)方案

以軸流泵導(dǎo)葉片不同翼型斷面進(jìn)口角度非線性調(diào)節(jié)為研究對(duì)象，采取2種方法進(jìn)行調(diào)節(jié)：一種是將導(dǎo)葉輪轂側(cè)5個(gè)翼型斷面進(jìn)口角按線性變化（輪轂斷面達(dá)到最大調(diào)節(jié)角度），相應(yīng)輪緣側(cè)5個(gè)斷面進(jìn)口角不改變，達(dá)到整體非線性變化；另一種是導(dǎo)葉輪緣側(cè)5個(gè)翼型斷面進(jìn)口角按線性變化（輪緣斷面達(dá)到最大調(diào)節(jié)角度），相應(yīng)輪轂側(cè)5個(gè)斷面角度保持不變以實(shí)現(xiàn)整體非線性變化.

沿初始方案導(dǎo)葉的展向，將導(dǎo)葉葉片從輪緣至輪轂近似均分為10個(gè)翼型斷面，如圖2和3所示，圖中橫坐標(biāo)Span表示不同位置的導(dǎo)葉翼型斷面，定義為翼型斷面半徑與葉輪半徑之比，縱坐標(biāo)θ為導(dǎo)葉進(jìn)口角.方案一、二、三、四分別為輪轂側(cè)翼型斷面進(jìn)口角度-6°，-3°，+3°，+6°調(diào)節(jié)；方案五、六、七、八分別為輪緣側(cè)翼型斷面進(jìn)口角度-6°，-3°，+3°，+6°調(diào)節(jié).

1.3網(wǎng)格劃分

葉輪和導(dǎo)葉采用Turbo-Grid建模，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分.帶導(dǎo)水錐的進(jìn)口直管段、帶電動(dòng)機(jī)軸的出水彎管段模型由于幾何形狀復(fù)雜，故采用ICEM CFD進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，其他部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分.

經(jīng)檢驗(yàn)，網(wǎng)格質(zhì)量都在0.4以上，滿足計(jì)算要求.葉輪、導(dǎo)葉網(wǎng)格如圖4所示.

為驗(yàn)證網(wǎng)格數(shù)對(duì)數(shù)值計(jì)算無關(guān)性及收斂性的影響，以泵段效率為判據(jù)，選用網(wǎng)格數(shù)N分別為143萬、201萬、259萬、317萬、443萬、569萬、695萬時(shí)對(duì)泵裝置進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如圖5所示.

由圖5可以看出：當(dāng)泵裝置整體網(wǎng)格數(shù)大于317萬后，泵段效率在84.0%～84.2%波動(dòng)，且趨于穩(wěn)定，滿足網(wǎng)格數(shù)無關(guān)性要求；隨著網(wǎng)格數(shù)增大，泵段效率呈遞增趨勢(shì)，且增長(zhǎng)趨勢(shì)減緩，滿足網(wǎng)格數(shù)收斂性要求.

1.4數(shù)值計(jì)算方法及驗(yàn)證

假定軸流泵內(nèi)部為連續(xù)、不可壓縮流動(dòng)，相應(yīng)的控制方程包括連續(xù)方程、動(dòng)量方程和能量方程.對(duì)于泵內(nèi)不可壓縮流動(dòng)可以忽略熱交換，即不考慮能量方程，僅求解連續(xù)方程和動(dòng)量方程.

連續(xù)性方程為

uixi=0，（1）

動(dòng)量方程為

（ρui）t+（ρuiuj）xi=－pxi+

xjμujxi+uixj+Sm，（2）

式中：ui，uj分別為直角坐標(biāo)系下xi和xj方向的速度分量；ρ 為水的密度；p為壓力；μ為黏度；Sm為廣義源項(xiàng)，與多相流中的重力和相間力有關(guān).

采用有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行高階格式離散，選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型對(duì)泵內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬.計(jì)算域主要包括進(jìn)水直管、葉輪、導(dǎo)葉、60°彎頭和出水直管等．邊界條件設(shè)置為總壓進(jìn)口和恒定質(zhì)量流量出口．進(jìn)水流道、彎管、出水流道、葉輪外殼及導(dǎo)葉體均設(shè)置為靜止壁面，采用無滑移固壁面邊界.葉輪定義為旋轉(zhuǎn)域，葉輪輪緣壁面邊界設(shè)置為相對(duì)于葉輪反向同速旋轉(zhuǎn)，葉輪與進(jìn)水流道、導(dǎo)葉體之間動(dòng)靜耦合交界面采用“Stage”形式，其他交界面采用“None”形式.

為驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算方法的可靠性，在揚(yáng)州大學(xué)測(cè)試中心的高精度水力機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行泵性能試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示.可以看出：整體上，試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果趨勢(shì)較一致；在設(shè)計(jì)流量工況下，軸流泵試驗(yàn)效率為84.47%，揚(yáng)程為4.247 m，與之相比，數(shù)值計(jì)算效率為84.13%，揚(yáng)程為3.967 m，兩者效率差為0.34%，揚(yáng)程差為0.280 m，在誤差允許范圍內(nèi)，這表明文中所采用的數(shù)值計(jì)算方法是可靠的.

2計(jì)算結(jié)果及分析

2.1外特性結(jié)果分析

為研究導(dǎo)葉進(jìn)口角度非線性變化參數(shù)對(duì)泵段水力性能的影響，通過數(shù)值計(jì)算得到輪轂側(cè)和輪緣側(cè)翼型斷面進(jìn)口角非線性調(diào)節(jié)方案下泵段外特性曲線，如圖7和8所示.

由圖7可以看出：在小流量工況下，輪轂側(cè)導(dǎo)葉進(jìn)口角度變化對(duì)水泵效率和揚(yáng)程影響不大，相比于大流量工況，導(dǎo)葉進(jìn)口角度調(diào)節(jié)對(duì)于軸流泵水力損失存在一定影響，但小流量工況下軸流泵水力損失與揚(yáng)程的比值小很多，這就導(dǎo)致泵效率的變化較??；在設(shè)計(jì)流量及大流量工況下，導(dǎo)葉進(jìn)口角非線性變化與泵效率及揚(yáng)程呈正相關(guān)，揚(yáng)程和效率都隨輪轂側(cè)調(diào)節(jié)角度的增大而增大；在設(shè)計(jì)工況下，與方案一相比，方案四軸流泵效率提高0.54%，揚(yáng)程提高0.040 m；在大流量工況（Q=440 L/s）下方案四與方案一相比更加明顯，效率提高15.47%，揚(yáng)程提高0.280 m.結(jié)合圖2，由于導(dǎo)葉片扭曲，且葉輪出口液流角在輪緣側(cè)和輪轂側(cè)不同，因此輪轂側(cè)翼型斷面角度梯度減小使得水流從葉輪旋轉(zhuǎn)進(jìn)入導(dǎo)葉的沖角變緩和，從而減小了液流水力損失.

由圖8可以看出：輪緣側(cè)導(dǎo)葉進(jìn)口角非線性變化與泵效率及揚(yáng)程呈負(fù)相關(guān)，揚(yáng)程和效率都隨輪緣側(cè)調(diào)節(jié)角度的增大而減小，但是減小幅度非常??；僅在大流量工況下，輪緣側(cè)導(dǎo)葉進(jìn)口角非線性變化與泵效率及揚(yáng)程呈正相關(guān)，但是變化幅度小于輪轂側(cè)調(diào)節(jié).在大流量工況（Q=440 L/s）下，與方案五相比，方案八效率提高11.16%，揚(yáng)程提高0.170 m，但在設(shè)計(jì)工況下方案八比方案五的效率揚(yáng)程提高幅度都非常小.結(jié)合圖3，由于葉輪輪緣側(cè)是主要做功部位，輪緣側(cè)翼型斷面角度梯度增大能夠更好地調(diào)節(jié)葉輪出口水流的圓周速度，從而減小損失.

綜合來看，輪緣側(cè)調(diào)節(jié)和輪轂側(cè)調(diào)節(jié)對(duì)泵段外特性曲線的影響規(guī)律是一致的，都在大流量工況下拓寬了一定的高效區(qū)，但是輪轂側(cè)調(diào)節(jié)方案對(duì)揚(yáng)程和效率的影響明顯更大.

為研究導(dǎo)葉輪轂側(cè)翼型斷面進(jìn)口角非線性調(diào)節(jié)對(duì)泵水力性能影響更加顯著的原因，文中引入速度環(huán)量的消除能力指標(biāo)評(píng)價(jià)導(dǎo)葉性能，即采用量綱一化形式，計(jì)算各方案導(dǎo)葉進(jìn)口和導(dǎo)葉出口的速度環(huán)量差與原始方案導(dǎo)葉進(jìn)口和導(dǎo)葉出口的速度環(huán)量差的比值，判斷各方案對(duì)速度環(huán)量消除能力的優(yōu)劣.

ΔΓi=∫LjvidLj－∫LcvidLc∫Ljv0dLj－∫Lcv0dLc×100%，（3）

式中：ΔΓi為調(diào)節(jié)方案i對(duì)于速度環(huán)量的消除能力；vi為方案i的切向流速；v0為原始方案切向流速；Lj為導(dǎo)葉進(jìn)口斷面外圈周長(zhǎng)；Lc為導(dǎo)葉出口斷面外圈周長(zhǎng).

對(duì)比初始方案，選取大流量工況（Q=440 L/s）下效率變化最明顯的幾個(gè)方案，研究導(dǎo)葉對(duì)水流速度環(huán)量的消除能力，結(jié)果如圖9所示，圖中縱坐標(biāo)ΔΓ/ΔΓ0表示相對(duì)于原始方案，各調(diào)節(jié)方案導(dǎo)葉消除速度環(huán)量的能力.

由圖9可以看出：輪轂側(cè)調(diào)節(jié)和輪緣側(cè)調(diào)節(jié)方案對(duì)于水流速度環(huán)量的消除能力都隨調(diào)節(jié)角度的增大而增大，符合水力損失和泵段效率的變化規(guī)律；相對(duì)于原始方案，方案四和方案八消除速度環(huán)量能力分別提高了15.02%，11.09%，方案一和方案五消除速度環(huán)量能力分別降低了22.44%，17.91%.

綜上所述，相對(duì)于輪緣側(cè)調(diào)節(jié)，輪轂側(cè)導(dǎo)葉進(jìn)口角非線性調(diào)節(jié)的速度環(huán)量消除能力更大，因此輪轂側(cè)導(dǎo)葉進(jìn)口角非線性調(diào)節(jié)對(duì)泵效率的影響更明顯.

2.2水力損失分析

為研究導(dǎo)葉輪轂側(cè)翼型斷面進(jìn)口角非線性調(diào)節(jié)對(duì)泵段導(dǎo)葉以及出口流道水力損失的影響，在不同流量工況下，對(duì)不同調(diào)節(jié)角度下泵段導(dǎo)葉和出口管道的水力損失進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，結(jié)果如圖10所示，圖中縱坐標(biāo)Δh為水力損失.

由圖10可以看出：導(dǎo)葉和出水管水力損失隨流量增大呈先減小后增大趨勢(shì)，在設(shè)計(jì)流量工況附近最??；在小流量工況下，導(dǎo)葉體和出水管水力損失變化不大；在大流量工況（Q=440 L/s）下，導(dǎo)葉體和出水管的水力損失均隨導(dǎo)葉輪轂調(diào)節(jié)角度增大而逐漸減小；在大流量工況下，方案四與原始方案相比，導(dǎo)葉水力損失減小0.055 m，出口管道水力損失減小0.034 m，且與方案一相比，導(dǎo)葉水力損失減小0.116 m，出口管道水力損失減小0.088 m.

2.3導(dǎo)葉局部熵產(chǎn)可視化分析

為了更清晰觀察導(dǎo)葉局部水力損失分布和流態(tài)變化，采用熵產(chǎn)水力損失可視化方法[17-18]研究了輪轂側(cè)導(dǎo)葉翼型斷面進(jìn)口角非線性調(diào)節(jié)對(duì)于導(dǎo)葉能量耗散的影響.

熵產(chǎn)損失包括2個(gè)部分：由時(shí)均運(yùn)動(dòng)引起的熵產(chǎn)生率S″D，表示直接耗散；由速度漲落（脈動(dòng)速度）引起的熵產(chǎn)生率S″D′，代表湍流耗散，即

S=S″D+S″D′，（4）

S″D=2μTux2+vy2+wz2+μTuz+wx2+uy+vx2+vz+wy2， （5）

S″D′=aρωkT，（6）

式中：u，v和w分別為沿x，y和z方向的平均速度分量；T為溫度；k為湍流動(dòng)能；ω為湍渦頻率；a=0.09.

圖11為在大流量工況（Q=440 L/s）下，導(dǎo)葉在不同展向處的熵產(chǎn)和流速矢量分布.

由圖11可以看出：在最靠近輪轂側(cè)Span=0.05展向處，高熵產(chǎn)區(qū)域主要位于導(dǎo)葉片背面，高熵產(chǎn)區(qū)的范圍隨著輪轂側(cè)進(jìn)口角度增大而減小，同時(shí)導(dǎo)葉片背面的脫流，尤其導(dǎo)葉片進(jìn)口處背面的小范圍回流導(dǎo)致了高水力損失的出現(xiàn)，此不良流動(dòng)出現(xiàn)的范圍隨著輪轂側(cè)進(jìn)口角度增大而減??；在Span=0.25展向處，由于導(dǎo)葉片進(jìn)口處背面的回流區(qū)域?qū)挾仍龃?，?dǎo)致了高熵產(chǎn)區(qū)的寬度增大，此回流區(qū)域?qū)挾入S著輪轂側(cè)進(jìn)口角度增大而減??；在Span=0.40展向處，由于該展向下翼型的進(jìn)口角度調(diào)節(jié)都很小，熵產(chǎn)范圍和脫流回流范圍依然隨著輪轂側(cè)進(jìn)口角度增大而減小，但是變化幅度不大.

綜上所述，輪轂側(cè)導(dǎo)葉片背面的不良流態(tài)增大了泵段的能量損失，但可以通過調(diào)節(jié)輪轂側(cè)進(jìn)口角度減小損失產(chǎn)生的區(qū)域.

2.4導(dǎo)葉出口速度分析

為進(jìn)一步探討輪轂側(cè)翼型斷面進(jìn)口角非線性調(diào)節(jié)對(duì)于導(dǎo)葉出口和出口流道的影響，在典型大流量工況（Q=440 L/s）下，取不同調(diào)節(jié)角度下導(dǎo)葉出口斷面的熵產(chǎn)和流速分布進(jìn)行分析，如圖12所示.

由圖12可以看出，導(dǎo)葉出口斷面高熵產(chǎn)區(qū)域依然位于導(dǎo)葉片背面，高熵產(chǎn)區(qū)范圍隨著輪轂側(cè)進(jìn)口角度增大而減小，同時(shí)該斷面的低速區(qū)域分布位置也位于導(dǎo)葉背面，其范圍隨著輪轂側(cè)進(jìn)口角度增大而減小.低速區(qū)和高熵產(chǎn)區(qū)出現(xiàn)在相同的位置，其原因是導(dǎo)葉片背面的脫流范圍隨著水流進(jìn)入出水管而延伸，這一脫流區(qū)就是低速區(qū)，也是出水管內(nèi)水力損失受到影響的部分.

綜上所述，導(dǎo)葉輪轂側(cè)進(jìn)口角度調(diào)節(jié)能夠在一定程度上控制出口管內(nèi)的低流速脫流區(qū)范圍，可減少出水部件的水力損失，提高整體裝置效率.

2.5出口管道流態(tài)分析

為探討導(dǎo)葉輪轂側(cè)翼型斷面進(jìn)口角非線性調(diào)節(jié)對(duì)出口管道的影響，在典型大流量工況（Q=440 L/s）下，取不同調(diào)節(jié)角度下出口管道的流態(tài)進(jìn)行分析，如圖13所示.可以看出，出口管道內(nèi)的流線經(jīng)過彎管后都向彎管內(nèi)側(cè)偏流，同時(shí)隨著導(dǎo)葉片輪轂側(cè)進(jìn)口調(diào)節(jié)角度增大，對(duì)比方案一，方案四向彎管內(nèi)側(cè)偏流的幅度明顯減小.

從出口管道的壓力分布看，整體上，方案四低壓區(qū)范圍最小，同時(shí)壓力分布均勻度最高.從局部看，彎管內(nèi)側(cè)的高壓區(qū)隨著導(dǎo)葉片輪轂側(cè)進(jìn)口調(diào)節(jié)角度增大而增大，彎管內(nèi)側(cè)靠近輪轂的低壓區(qū)則減小.隨著導(dǎo)葉片輪轂側(cè)進(jìn)口調(diào)節(jié)角度增大，彎管外側(cè)位于出口管道進(jìn)口輪轂處的低壓區(qū)則減小.

綜上所述，出口管道的流態(tài)受到導(dǎo)葉片輪轂側(cè)進(jìn)口調(diào)節(jié)的影響，較大的調(diào)節(jié)角度可提高出口管道壓力分布均勻度，同時(shí)減小偏流.

3結(jié)論

1） 在小流量工況下，輪轂側(cè)和輪緣側(cè)導(dǎo)葉葉片進(jìn)口角度調(diào)節(jié)對(duì)水泵效率和揚(yáng)程影響不大.在大流量工況下，輪轂側(cè)和輪緣側(cè)導(dǎo)葉葉片進(jìn)口角度調(diào)節(jié)與水泵的效率揚(yáng)程呈正相關(guān).導(dǎo)葉輪轂側(cè)進(jìn)口角調(diào)節(jié)對(duì)效率的影響更加明顯，原因在于輪轂側(cè)調(diào)節(jié)對(duì)導(dǎo)葉消除液流速度環(huán)量能力更大.

2） 在大流量工況下，導(dǎo)葉體和出水管的水力損失均隨導(dǎo)葉輪轂調(diào)節(jié)角度增大而逐漸減小.與輪轂側(cè)進(jìn)口角度-6°非線性調(diào)節(jié)相比， +6°非線性調(diào)節(jié)方案的導(dǎo)葉水力損失減小0.116 m，出口管道水力損失減小0.088 m.

3） 在大流量工況下，導(dǎo)葉片背面的高熵產(chǎn)區(qū)隨著輪轂側(cè)進(jìn)口角度增大而減小.導(dǎo)葉片進(jìn)口處背面的小范圍回流導(dǎo)致了較大的水力損失，輪轂側(cè)進(jìn)口角度增大可以減小這一不良流態(tài)區(qū)域.導(dǎo)葉片背面的脫流區(qū)域隨著水流進(jìn)入出水管而延伸，這一脫流區(qū)就是低速區(qū)，也是出水管內(nèi)水力損失受影響的部分.較大的調(diào)節(jié)角度可提高出口管道壓力分布均勻度，同時(shí)減小偏流.

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（責(zé)任編輯陳建華）

收稿日期： 2024-04-01； 修回日期： 2024-05-17； 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間： 2024-11-08

網(wǎng)絡(luò)出版地址： https：//link.cnki.net/urlid/32.1814.TH.20241108.0943.004

基金項(xiàng)目： 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（52209116，52276041）；四川省流體機(jī)械及工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目（LTDL-2022004）；江蘇省（揚(yáng)州大學(xué)）研究生科研與實(shí)踐創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（SJCX23_1947）；江蘇省南水北調(diào)科技研發(fā)項(xiàng)目（JSNSBD202201）；揚(yáng)州科技計(jì)劃項(xiàng)目（YZ2022178）；揚(yáng)州大學(xué)“青藍(lán)工程”資助項(xiàng)目

第一作者簡(jiǎn)介： 陳奕宇（2000—），男，江蘇蘇州人，碩士研究生（2078478687@qq.com），主要從事水泵及水泵裝置高效設(shè)計(jì)研究.

通信作者簡(jiǎn)介： 石麗建（1989—），男，江蘇如皋人，副教授（shilijian@yzu.edu.cn），主要從事流體機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)理論研究.