混流泵徑向間隙對內部非定常流場(chǎng)影響的分析
采用調整混流泵徑向間隙的方法，設計了蝸殼基圓直徑為280、290、300mm的計算模型，并對其進(jìn)行了定常和非定常計算.通過(guò)對3種模型進(jìn)行非定常數值計算，得到了不同基圓直徑混流泵的壓力脈動(dòng)特性并對其進(jìn)行比較分析。結果表明：葉輪旋轉時(shí)葉片和隔舌的動(dòng)靜干涉作用導致蝸殼近壁面各監測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)具有明顯的周期性；在相同流量下，徑向間隙越小，監測點(diǎn)頻域振幅越大；隔舌處監測點(diǎn)壓力脈動(dòng)幅度大于其他監測點(diǎn)幅度.對基圓直徑為290mm的泵進(jìn)行數值模擬與外特性試驗研究，泵模擬效率為82.3%，試驗效率為80%，模擬效率比試驗效率高2.3%.對比兩者結果可知：數值模擬的結果是可信的。
1、前言
混流泵是一種普遍應用于排澇，防洪、澆灌等諸多方面的優(yōu)秀泵型，具備流量和揚程變化范圍廣、高效運行區寬等優(yōu)點(diǎn)。為研究并提高該類(lèi)型水泵的性能，人們對混流泵內部復雜流場(chǎng)進(jìn)行了大量的數值模擬與實(shí)驗研究。如Cugal利用三孔探對混流泵內部流動(dòng)進(jìn)行了測量，并測試了其流量、揚程及功率等外特性；KATO等對混流泵內部進(jìn)行了大渦模擬，分析了混流泵內部動(dòng)靜干涉引起的非定常流動(dòng)；MUGGLI等從開(kāi)關(guān)全關(guān)調到最大流量工況下混流泵的內流場(chǎng)進(jìn)行了數值模擬，并預測水泵性能；楊敏等運用數值模擬方法分析雙蝸殼的壓力脈動(dòng)特性和葉輪徑向力矢量分布；SolisM等通過(guò)改變隔舌安放角的方式來(lái)調整葉輪與隔舌間隙，研究了離心泵內部壓力脈動(dòng)的變化情況。許多研究表明，蝸殼和葉輪互相干擾所產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)，真空技術(shù)網(wǎng)（http://likelearn.cn/）認為這是影響混流泵穩定運行的重要因素，會(huì )導致設備的噪聲和振動(dòng)，嚴重時(shí)甚至會(huì )損壞系統設備。但到目前為止，混流泵隔舌間隙大小變化對其內部流場(chǎng)影響的研究還較少。
在本文中，保證葉輪參數、隔舌安放角及蝸殼各斷面形狀不變，通過(guò)改變蝸殼的基圓直徑D3改變葉輪與隔舌間的間隙。設計了基圓直徑分別為280、290和300mm的3種模型。對水泵進(jìn)行了定常和非定常數值模擬，對不同基圓尺寸時(shí)壓水室上的監測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)特性進(jìn)行研究。
2、計算模型
模型泵的技術(shù)參數為：流量Q=900m3/h，揚程H=20m，轉速n=2000r/min，葉片數Z=4，葉輪出口直徑D2=270mm，3種不同蝸殼基圓直徑D分別為280、290和300mm，3種基圓尺寸隔舌示意如圖1所示。
圖1 3種基圓尺寸隔舌間隙示意
流場(chǎng)的計算域由葉輪、蝸殼、泵腔，入口管和出口管組成，如圖2所示是泵全流場(chǎng)三維造型。
圖2 計算模型
選用有限體積法進(jìn)行離散求解，應用ANSYSCFX12.0線(xiàn)性求解器和SST模型，對連續方程和動(dòng)量方程組進(jìn)行同時(shí)求解。選用ICEM軟件對模型進(jìn)行非結構化網(wǎng)格劃分，并對交界面處網(wǎng)格進(jìn)行局部加密。文中對模型網(wǎng)格數為210、242、270和310萬(wàn)4種情況下的揚程，效率及軸功率進(jìn)行比較，發(fā)現當網(wǎng)格數為270萬(wàn)時(shí)計算結果已無(wú)明顯差別。
定常模擬時(shí)進(jìn)口邊界條件采用速度進(jìn)口，出口邊界條件采用開(kāi)放式出口。非定常數值模擬時(shí)以定常收斂結果作為初始值，葉輪每旋轉3°作為非定常計算的一個(gè)時(shí)間步長(cháng)，即0.00025s。為了非定常分析的準確性，將葉輪旋轉7個(gè)周期，取第7個(gè)周期的計算結果用于分析。在隔舌以及靠近蝸殼壁面處設置若干測點(diǎn)監測壓力脈動(dòng)的變化規律，各監測點(diǎn)的位置如圖3所示。
圖3 監測點(diǎn)位置
5、結論
(1)由于葉片和隔舌周期性變化的動(dòng)靜干涉作用，不同基圓直徑下蝸殼內各監測點(diǎn)壓力脈動(dòng)具有明顯周期性；
(2)在額定流量時(shí)，3種蝸殼基圓直徑下水泵內流場(chǎng)總體較好，蝸殼近壁面監測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)具有周期性，葉片與隔舌處的動(dòng)靜干涉作用是引起壓力脈動(dòng)的主要原因；
(3)對蝸殼基圓直徑為290mm的泵進(jìn)行數值模擬與性能試驗，泵模擬效率82.3%，試驗效率80%，對比分析結果表明數值模擬的結果是可信的。
