混流泵葉輪的正反問(wèn)題迭代法設計及流動(dòng)分析

　　提出了用正反問(wèn)題迭代法設計混流泵葉輪的新方法。該方法能夠有效地彌補傳統方法設計葉片時(shí)軸面流動(dòng)的計算僅滿(mǎn)足流體連續方程的缺陷，同時(shí)考慮了葉片形狀對軸面流場(chǎng)計算的影響。通過(guò)兩類(lèi)相對流面迭代求解流體連續方程與運動(dòng)方程，完成設計葉輪的正問(wèn)題計算。采用逐點(diǎn)積分法進(jìn)行葉片骨線(xiàn)繪型，在軸面上加厚葉片，在保角變換平面內修圓葉片頭尾部，完成反問(wèn)題設計。正反問(wèn)題迭代計算直至收斂，最終完成混流泵葉輪的設計。采用SIMPLEC算法，通過(guò)求解Navier-Stokes方程和RNGk-ε 湍流模型方程，模擬了混流泵葉輪內的三維流場(chǎng)，獲得了葉輪內的速度與壓力分布。結果表明：正反問(wèn)題迭代方法設計的葉片對于水流的控制能力增強，葉輪內部流動(dòng)穩定，壓力分布均勻，具有更優(yōu)的水力性能。

　　混流泵是一種廣泛應用于水利工程、電站冷卻系統、污水處理等方面的泵型�；炝鞅媒橛陔x心泵與軸流泵之間，有效地吸收了兩者的優(yōu)點(diǎn)，并彌補了兩者的缺點(diǎn)，具有揚程高、適用流量范圍廣、高效運行范圍廣、不易產(chǎn)生空化等優(yōu)點(diǎn)。

　　近年來(lái)，國內外學(xué)者圍繞著(zhù)混流泵的優(yōu)化設計、流動(dòng)分析與性能預測開(kāi)展了研究工作。但目前國內混流泵的技術(shù)研發(fā)相對滯后，缺乏系列的水力模型，已有的模型效率有待進(jìn)一步提高。真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)深入研究并改進(jìn)混流泵的設計方法，提升運行效率，對實(shí)現節能降耗具有重要的工程應用價(jià)值。

　　本文基于兩類(lèi)相對流面流動(dòng)理論，提出了一種正反問(wèn)題迭代法設計混流泵葉輪的新方法。該方法能夠有效地彌補傳統方法設計葉片時(shí)軸面流動(dòng)的計算僅滿(mǎn)足流體連續方程的缺陷，同時(shí)考慮了葉片形狀對軸面流場(chǎng)計算的影響。在反問(wèn)題設計計算的基礎上，數值模擬了葉輪內部三維湍流流場(chǎng)，比較了不同設計方法對于葉輪水力效率及內部流動(dòng)的影響，為進(jìn)一步開(kāi)展優(yōu)化設計工作提供參考。

1、正反問(wèn)題迭代法

　　1.1、設計方法

　　在混流泵葉輪傳統的設計方法中，通常根據某種假定，通過(guò)求解滿(mǎn)足軸面流道流動(dòng)的連續方程而得到軸面速度，進(jìn)而依據該軸面速度進(jìn)行葉片造型。由于軸面速度的計算依賴(lài)一定的假設，并未滿(mǎn)足流體的運動(dòng)方程，同時(shí)也未考慮葉片形狀對流動(dòng)的影響，因此傳統設計方法在理論上存在明顯的缺陷。

　　為彌補傳統設計方法的缺陷，本文提出了正反問(wèn)題迭代法設計混流泵葉輪葉片的方法。該法與傳統設計方法的流程比較見(jiàn)圖1。在傳統設計方法中，基于某種假定計算得到軸面速度后，依據骨線(xiàn)方程進(jìn)行葉片繪型、加厚，完成最終葉輪的反問(wèn)題設計，具體流程如圖1a所示。正反問(wèn)題迭代法的設計步驟如下：

　�、� 基于傳統設計方法設計初始葉輪；

　�、� 對葉輪進(jìn)行正問(wèn)題計算，得到同時(shí)滿(mǎn)足流體連續方程和運動(dòng)方程的軸面速度分布規律；

　�、� 基于正問(wèn)題計算得到的軸面速度分布規律，采用逐點(diǎn)積分法進(jìn)行葉片骨線(xiàn)繪型，在軸面上加厚，在保角變換平面內修圓葉片頭尾部，完成反問(wèn)題設計，得到新的葉輪三維造型；

　�、� 重復上述②、③過(guò)程，直至前后兩次反問(wèn)題設計得到的葉片軸面截線(xiàn)位置差別滿(mǎn)足要求。

　　具體流程如圖1b所示。

圖1　設計方法流程圖

結論

　　基于傳統方法和正反問(wèn)題迭代法設計了混流泵葉輪，采用SIMPLEC算法和RNGk-ε 湍流模型，對兩種方法設計的葉輪內部三維湍流流場(chǎng)進(jìn)行了數值模擬，獲得了壓力與速度分布，預估了水力效率，研究結果如下。

　　1)相比于傳統方法，正反問(wèn)題迭代法同時(shí)滿(mǎn)足流體的連續方程和運動(dòng)方程，是一種在理論上更加完善的設計方法，設計的葉輪更加符合流體真實(shí)的流動(dòng)情況。

　　2)數值模擬結果表明：正反問(wèn)題迭代法設計的葉輪水力效率較傳統方法設計的葉輪提高0.8%。

　　3)正反問(wèn)題迭代法設計的葉輪內部壓力分布更加均勻，葉片進(jìn)口壓力升高，有利于提高混流泵葉輪的吸入特性。