蝸殼式混流泵空化特性分析

　　基于Rayleigh-Plesset空化模型和剪切應力輸運湍流模型(SST)，應用計算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)技術(shù)，對比轉速ns=449的蝸殼式混流泵設計工況下的流場(chǎng)進(jìn)行數值模擬。根據模擬結果獲取了該泵的空化特性曲線(xiàn)，捕捉到混流泵內空化的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程，對開(kāi)始發(fā)生空化、臨界空化和空化嚴重3種工況下葉輪內的空化現象進(jìn)行分析。分析結果表明：該泵空化性能滿(mǎn)足設計要求；混流泵葉輪內的空化現象最初發(fā)生在葉輪流道內，隨著(zhù)凈正吸頭的降低，葉片背面靠近輪緣處開(kāi)始出現空泡，該空化區域從輪緣向輪轂方向延伸。在空化嚴重時(shí)會(huì )造成葉輪流道的嚴重堵塞，導致混流泵揚程的下降。研究結果對于其他比轉速的蝸殼式混流泵空化特性分析具有比較重要的指導作用。

　　隨著(zhù)社會(huì )的高速發(fā)展，混流泵越來(lái)越多地被應用于工業(yè)和農業(yè)的生產(chǎn).它在結構和性能上介于離心泵和軸流泵之間，兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)�？栈�是導致混流泵水力性能下降、壽命縮短、振動(dòng)噪聲加劇的主要原因之一。對混流泵空化特性進(jìn)行分析研究，可以對改善混流泵水力性能及抗汽蝕性能提供合理依據。國內關(guān)于研究混流泵內空化流動(dòng)的相關(guān)文獻目前比較少。水力機械空化研究主要有數值模擬和模型試驗兩種手段。模型試驗由于耗費物力、周期長(cháng)等不良因素，使得模型試驗結果對泵的指導意義不明顯。隨著(zhù)計算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)的發(fā)展和計算機技術(shù)的提高，采用數值模擬計算方法預測水力機械的空化流動(dòng)已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)。國內外學(xué)者對水泵等水力機械的空化特性進(jìn)行數值預測，都表現出了較好的可行性。文中基于Rayleigh-Plesset空化模型和剪切應力輸運湍流模型(SST)，應用計算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)技術(shù)，對比轉速ns=449的蝸殼式混流泵在設計工況下的空化流動(dòng)進(jìn)行數值模擬，以預測不同出口壓力條件下混流泵的揚程特性，得到泵內空化流場(chǎng)分布規律。Singhal等對軸流泵在設計工況下的空化流場(chǎng)進(jìn)行了全流道數值計算和分析，預測了流道內空化流動(dòng)和空化發(fā)生區域的發(fā)展狀況。

1、計算對象

　　所選用的蝸殼式混流泵設計參數為：流量Q=0.3m3/s，轉速n=1　450r/min，揚程H=12m，比轉數ns=449.混流泵的主要結構參數分別為葉輪進(jìn)口直徑D1=260mm，葉輪最大直徑Dmax=350mm，葉輪葉片數Z=4.將整個(gè)泵段分為進(jìn)口段，出口段，葉輪，蝸殼4個(gè)區域，并分別進(jìn)行建模，如圖1所示。

圖1 混流泵模型

4、試驗驗證

　　從圖9可以看出，數值模擬得到的揚程值與試驗值的誤差在5%以?xún)�，模擬揚程變化趨勢和試驗結果一致，說(shuō)明所使用的CFD數值計算方法是有效的，試驗結果也是成功的。

圖9 模擬與試驗揚程-凈正吸頭對比

5、結語(yǔ)

　　(1)對比轉速ns=449的蝸殼式混流泵設計工況下的流場(chǎng)進(jìn)行數值模擬。在未發(fā)生空化時(shí)，通過(guò)CFD計算所得的混流泵揚程與試驗值誤差小于2.5%，驗證了數值模型的可靠性；發(fā)生空化時(shí)，用CFD方法預測了混流泵的揚程衰減特性，揭示了隨著(zhù)出口壓力的降低，混流泵葉輪內空化流場(chǎng)的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程。

　　(2)空化發(fā)生會(huì )影響葉片的壓力分布，從而影響水泵的外特性；在葉片的低壓區，空化現象嚴重。

　　(3)混流泵葉輪內的空化現象最初發(fā)生在葉輪流道內，隨著(zhù)凈正吸頭的降低，葉片背面靠近輪緣處開(kāi)始出現空泡，該空化區域從輪緣向輪轂方向延伸。在空化嚴重時(shí)，空化會(huì )造成葉輪流道的嚴重堵塞，導致混流泵揚程的下降。

　　(4)通過(guò)模擬與試驗揚程-凈正吸頭對比圖，證明了所使用的CFD數值計算方法的有效性，試驗結果與模擬的揚程變化趨勢一致，本次試驗也是成功的。