轴流泵多工况空化特性数值计算

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水力机械空化研究主要有试验和数值计算 2种方法≌化试验需要采用专用设备来捕捉流痴化特征，成本高昂。随着计算流体动力学的迅速发展，数值计算已经成为水力机械空化特性研究的主要方法 ]之-。由于空化现象涉及流体相变、相间能量传递与转换等复杂过程，目前对空化流场的数值计算研究还不够深入。国内有学者模拟了轴流泵单流道的稳态空化流动[3 ]和额定流量工况轴流泵全流道空化流动特性 ]。Singhal等人提出的完全空化模型L7]，考虑了空化流动的相变、空泡动力学、湍流压力脉动和流体中含有的非凝结性气体影响，是公认较为完善、应用较广的空化数值计算模型。

研究采用完全空化模型对轴流泵在不同流量工况下进行全流道流场数值计算，对轴流泵的空化特· 57 工性进行了分析。为了提高计算效率与计算精度，研究采用结构化网格离散计算域。

1 空化数值计算模型空化是指连续均匀液体在局部压力降低到液体饱和压力时，内部产生气泡，并不断发展溃灭的过程E 。完全空化模型重点考虑了汽泡的形成和运动、压力和速度的湍流脉动以及溶于主相流体中的非凝结性气体 3个影响空化的重要因素，模型形式如下[ ：[吾 ]。( - - )(1，[号 ]其中，愚为流场的局部湍流动能； 为液体的表面张；P 为水的空化临界压强；e 为蒸汽生成率经验系数，通常取 0.02；C 为蒸汽凝结率经验系数，通常取 0.01。

采用 SSTk-∞2阶湍流模型使上述的空化控制方程组封闭。SSTk-60模型十分适用于存在逆压梯度情况下的边界层流动和分离，其 愚和 方程分别为 ]：( ) (- 矗 )差]否 - ∞ (3)( 杀( Ui)- 去 )差] - 。D (4)其中，G 为速度梯度引起的湍动能生成项，式中常数分别为： -0.09； -5/9；卢-0.075； -2；- 2。

为了提高计算的速度和效率，采用多块结构网格对计算域进行离散。多块结构网格是-种发展成熟的网格技术，生成网格的正交性好，有利于加速收敛过程。具有强大的边界层网格处理能力，特别适用于粘性流体的计算，在 CFD中具有广阔的应用前景。

研究采用速度入口边界条件，在流道的入口采用均匀的速度进口，轴向速度的大小由流量和进 口面积决定。在流场的出口，流动是充分发展的湍流，采用出流条件(outflow)，即规定与出口平面垂直的· 58 ·方向各个变量的梯度为零，满足流量守恒条件。叶片设置为旋转壁面，泵体壁面设为固定壁面，临近壁面的区域采用标准壁面函数，相邻体域的接触面按交界面(interface)处理。计算过程中相关物理参数如下：水的空化压强 -3 450 Pa；密度 -1 000kg/m。；流体中不溶解性气体的质量组分 -15mg/kg；水蒸气密度 P -0.02 558 kg/m。。

2 轴流泵流称算及结果分析2.1 轴流泵的基本参数研究的卧式轴流泵基本参数为：流量 Q -250L/s；扬程 H-4.5 m；转速 ：1 450 r/min。主要结构参数 ：叶轮直径 D-300 mm；叶轮室壁面直径D -301 mm；叶片数 -3；导叶数 -7。

为了便于网格的划分，将整个流钞分为进口区、叶轮区、导叶区和出口缓冲区 4个部分。轴流泵内部流称算域的结构化网格划分如图 1所示，整个计算域共 2 171 838个体网格单元。

叶轮区 导叶区进图 1 计算 区域及计算 网格研究主要完成轴流泵在不同流量工况下的空化特性计算。针对不同的流量进口条件，计算 3种工况条件下轴流泵的内部定常流厨口流量分别为0.5 Q ，1 Q ，1.2 Qd，所 对应 的进 口速 度分 别为1.785 m/s，3.570 m/s，4.284 m/s。

2.2 不同工况下的外特性参数通过 Fluent软件计算，可以得到不同工况条件下的扬程、轴功率和水力效率等外特性。在额定流量条件下，计算扬程为 4.38 m，与水泵的额定扬程值 4.5 m相比，计算误差约为 3 ，计算较准确的预测了轴流泵的扬程，证明了计算的可靠性。在非额定流量工况下，轴流泵水力效率下降，叶轮对流体的做功效率降低，说明水泵内部发生了空化。水力效率与进口流量分别为 0.5 Qd，Qd，1.2 Qd，所对应的泵水力效率为 59.2O ，85.05%，73.17%。

《机械与电.子》2O13(1)工2.3 叶片压力分布轴流泵内部流场分布会随着工况的改变而发生变化。选取了 3个代表工况(小流量工况 0.5 Qd，额定流量工况 Qa，大流量工况 1.2 Q )进行分析。

图 2～图 3分别为不同工况下叶片压力面和吸力面压力分布。由图 2可以看 出，在额定工况下 (图2b)，叶片压力面压力分布在径向过度平缓，各部分对流体均匀做功。非额定工况时，叶片径向压力分布存在-定的梯度变化。从图中还可以看出，在非额定工况下，吸力面主要区域的压力有所下降，前端处的压力下降更为明显。压力的下降会影响叶轮对流体的做功，从而降低水泵的效率。叶片吸力面与压力面的压力分布变化规律基本-致。

LaJ 0·5G (b)Qd (c)1.20图 3 不同进 口流量下叶片吸力面压力分布2.4 空泡区域分布图4为不同工况条件下叶片表面空泡体积组分分布图。由图4可以看出，当轴流泵工作在非额定流量工况时，叶片表面前缘会存在空泡相，轴流泵工作在额定流量及小于额定流量时，空泡大多分部在叶片的吸力面，当工作在 1.2 Qd工况(大流量工况见图 4c)时，空泡相分布区域会转移到叶片的压力面≌泡相分布的位置与压力分布的低压区有很好的吻合度。从图中还可以看出，空泡相在各个叶片表面的分布规律基本相似 ，但也具有-定的非对(a)0.50 (b) (c)1.2Q图 4 不同进口流量下叶片空泡体积组分分布《机械与电子2013(1)称性，这种非对称性会造成流体对叶片激励的非对称性，是造成水泵在空化发生时，运行状态不稳定，产生振动噪声的原因之- 。

3 结束语通过对比额定流量工况的计算外特性数据与理论外特性数据，验证了CFD在稳态计算时预测水泵内部流场的准确程度。分析了不同流量工况下轴流泵的内部流场，得到了水泵发生空化时叶片表面的压力和空泡体积组分分布规律。当轴流泵工作在非额定工况下时，内部流翅发生空化，空泡相多分布于叶片的前端轮缘附近≌化发生时，叶片表面的压力下降，从而减小叶片对流体的做功，进而影响轴流泵的扬程，水力效率等外特性。因此，在实际使用过程中，应该使轴流泵工作在额定流量。