轴流泵叶轮内空化流动的计算研究

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轴流泵广泛应用于农业排灌、城市供水、船舶行业及南水北调工程1↑年来随着使用的增多，在保障轴流泵稳定运行方面，由于长时间运行、工作环境恶劣等原因，空化汽蚀和机组振动成为-个主要问题。在空化诱发侵蚀、造成系统不稳定运行方面，许多专家曾作过深入研究。对于轴流泵，空化现象是导致叶片裂纹，机组振动、扬程下降的-个主要原因，并影响整个系统运行的稳定性-展对轴流泵偏离设计工况下流道内空化流动的研究，揭示空化发生的位置和程度，可为提高轴流泵的汽蚀性能以及安全、稳定运行提供可靠的参考依据。

空化流动的本质是气液两相流动，气泡和液体之间有着非常复杂的动量和能量交换关系。对于泵内空化流动的研究主要有试验和数值计算拜方法。由于轴流泵结构的特殊陛，使其内部空化流动试验存在许多困难，且空化的比尺效应在试验中尚无法有效地被控制 。随着计算流体动力学的迅速发展，数值计算已成为预测水力机械内部空化流动的主要方法[31。国内有关学者对轴流泵流道内的定痴化流动进行数值计算研究。

本研究以比转数700的轴流式模型泵为研究对象，采用完整空化模型对轴流泵在设计工况下的空化流厨行全流道数值计算和分析，预测了大流量工况下流道内空化发生的区域和空化流动的发展情况。

1.泵的基本参数轴流式模型泵设计参数为：流量Q31n /h、扬程H3.3m、转：n1450r/min，其主要结构参数：叶轮外径D2200mm，轮毂直Dh104ram、叶片数z4、导叶叶片数为zd7。

计算中的物性参数取水温为300K时的值，水的空化压强pV3540Pa，水的密度pl1000kg/m ，流体中不溶解性气体的质量组分 f g15mg/kg，水蒸气密度 P v0.02558kg/m3空泡表面张力o0.01717N/m。

2.计算方法和边界条件2.1计算方法和网格划分采用有限体积法将上述控制方程组离散为代数方程组，对流项采用-阶迎风格式，扩散项采用二阶中心差分格式，采用蜘 ，LEc算法实现速度和压力之间的耦合。为提高空化计算的收敛速度和计算的稳定性，用单相定常流动计算的收敛结果作为初厨行空化流动计算～轴流式模型泵从进口至出口的全流道作图1计算区域疑计鼍网捂为数值计算的求解域，采用非结构化网格进行划分，轴流模型泵内部流道计算区域及网格划分如图l所示。所采用的数值方法通过二维、三维文丘里管的定痴化流动进行了验证。

2.2边界条件根据设计流量给定质量流量出口，在计算域的进口截面设置-系列静压值，以控制叶轮内空化发生的程度 考虑充分发展的湍流，其核心的湍流强度采用经验公式，其中ReDH为相应水力直径条件下的雷诺数。固体壁面采用无滑移条件，近壁区采用壁面函数法处理，内部交界面边界条件用Interface来实现动静结合，空化计算初场中的空泡体积组分赋为零。

3 计算结果和分析3.1汽蚀性能曲线汽蚀性能试验按照水泵试验标准GB/T 3216-2005执行，试验保持流量不变，逐渐降低模型泵进口压力，提高泵的进口真空度，使泵发生汽蚀。取扬程降低达到[2(K/2) H时的汽蚀余量的值为泵发生空化的临界汽蚀余量，其中K为型式数。为研究不同空化程度时模型泵叶轮流道内空化流动发展的情况，选择空化开始发生、泵的临界汽蚀点以及空化严重时34"工况进行数值计算。在数值计算中，仿照试验方法，给定出口速度，通过逐步降低轴流式模型泵进口的压力来减小泵的装置汽蚀余量，并计算此时泵的扬程。图2为轴流式模型泵的汽蚀性能曲线，可以看出计算扬程比试验值大 ，但是空化现象对扬程的影响和变化趋势-致。数值计算比较分析的工况为空化开始发生的a点(NPSH5.15m)、泵的临界汽蚀点b (NPSH2.46m)以及空化严重时的c点(NPSH2.08m)。

3.2空化流动的分析由于导叶段、出口段和叶片工作面的静压均远高于空化压力，因此只对叶片背面的空化流动和叶轮轴截面上空泡体积组分分布进行分析。当NPSH5.15m时，空化发生在叶片背面进口靠近轮缘处的 誉局部低压区。随NPSH的降低，叶片背面的低压区域逐渐变大，空化区域也逐渐变大并向轮毂发展。在临界汽蚀点，叶片背面从进口至出口弦长的2/3处为空化区域，约占叶片背面面积的50%，近轮毂处的空泡体积组分最大，在带状区域的后部压力 图2轴漉F懒 型夏汽蚀 曲线和空泡体积组分都急剧变化，说明空泡在高压液体的作用下溃灭。当NPsH2.08m时，叶片背面进口至出口弦长的4/5处为空化区域，约占据叶片背面面积的7f'/o，空化区域向叶片后部发展且空泡体积组分增大。

当NPSH5.15m时，每个翼型叶栅截面上的空泡体积组分都很低，空化只发生在截面Span0.9叶片背面进口的局部区域，空化对叶轮流道内流道基本没有影响。随着空化的加剧，产生的空泡逐渐占据叶轮流道的过流面积沿着叶片并向出口和轮毂发展。在临界汽蚀点时，空泡体积组分最大处分布主要在叶栅的后部，叶轮外缘、轮毂处的空泡体积组分较大∝面SpanO.9上空泡体积组分分布最多，空化发生在叶片背面进口至出口弦长的2/3处，随着Span的变小，空化开始发生的位置向后移动，空泡体积组分分布逐渐变小，在截面SpanO.1上，弦长的2/3处靠近轮毂的空泡体积组分较高。叶轮翼型叶栅的过流面积受到-定的堵塞，流道内的空泡随着液流向后发展并在叶片背面聚集。

空化严重时，叶轮流道的进口的过流面积受到严重堵塞，空化发生的区域也向后发展，泵的能量性能明显下降。

4 结论(1)空化现象最初发生在叶片背面进口靠近轮缘的局部低压区；在临界汽蚀点时，空化区域位于叶片背面进口至出口弦长的2/3处，约占叶片背面面积的50%，空泡在空化区域的后部聚集且靠近轮毂处空泡体积组分较高。随着空化程度的进-步加剧空化区域向后发展、最大空泡体积组分增大。 。

(2)当叶片背面进口靠近轮缘处发生局部空化时，不会影响到泵的能量性能。随着空化的加剧，产生的空泡逐渐占据叶轮流道的过流面积沿着叶片并向出口和轮毂发展。在if盎界汽蚀点时在临界汽蚀点时，空泡体积组分分布主要在叶栅的后部，叶轮外缘、轮毂处的空泡体积组分较大。叶轮翼型叶栅的过流面积受到-定的堵塞，流道内的空泡随着液流向后发展并在叶片背面聚集≌化严重时，靠近进口截面的过流面积受到严重堵塞，泵的能量性能严重下降。

计算结果与外特性试验相吻合，数值计算的方法较好地模拟了轴流泵内的空化流动的静态特征≌化与空蚀机理很复杂，要深入地研究轴流泵的空化流动，还应考虑叶片外缘与叶轮室之间的间隙以及相间传热等因素。