輪緣間隙對軸流泵內部非定常流場(chǎng)的影響

　　為研究軸流泵輪緣間隙泄漏流的非定常特征及其對泵外特性的影響，采用基于S-A模型的DES方法和滑移網(wǎng)格技術(shù)，對軸流泵在設計流量下的內部湍流進(jìn)行了數值計算，重點(diǎn)分析了4組輪緣間隙下泵內非定常流場(chǎng)特性及壓力脈動(dòng)特性.在設計輪緣間隙下，計算所得泵揚程和效率與試驗數據吻合良好，最大相對誤差分別為2.0%和3.0%.計算結果表明：隨輪緣間隙增大，水泵揚程和效率均呈下降趨勢；輪緣泄漏渦強度和影響范圍隨輪緣間隙增大而增大，當輪緣間隙為3.3‰D2時(shí)，輪緣泄漏渦擴散至相鄰葉片出口邊；不同輪緣間隙下，葉輪區壓力脈動(dòng)頻率均以葉頻為主；靠近葉片進(jìn)口的葉輪室內壁壓力脈動(dòng)幅值隨輪緣間隙的增大呈減小趨勢，葉輪室中部壓力脈動(dòng)隨輪緣間隙增大而增大；葉輪出口斷面的壓力脈動(dòng)頻域特性在不同輪緣間隙下均以1倍葉頻為主，脈動(dòng)幅值隨輪緣間隙增大而減小。

　　軸流泵輪緣間隙泄漏流動(dòng)及其與葉道主流、壁面邊界層和葉片尾流的相互作用，形成泵葉輪內復雜的旋渦結構和旋轉不穩定流動(dòng)，將降低泵的能量性能，引發(fā)間隙泄漏空化、水力激振和噪聲，嚴重影響軸流泵的運行穩定性。研究受輪緣間隙流動(dòng)影響的軸流泵內壓力脈動(dòng)規律，具有重要工程意義。

　　對于受輪緣間隙泄漏流動(dòng)影響的軸流泵內非定常流場(chǎng)的研究，主要有試驗和數值計算2種手段。采用PIV(particleimagevelocimetry)等測試技術(shù)，可對間隙泄漏渦流的內部結構及發(fā)展過(guò)程進(jìn)行觀(guān)測，但受試驗費用高、葉輪內測試設備不易安裝及比尺效應等因素制約，對泵內壓力脈動(dòng)的試驗研究還很困難。因此，很多學(xué)者開(kāi)展了軸流泵內非定常流動(dòng)的數值模擬研究，其中，采用大渦模擬方法(largeeddysimulation，LES)直接求解瞬態(tài)N-S方程，可描述大尺度渦運動(dòng)并捕獲豐富的非定常流動(dòng)細節，較準確地求解得到了泵內的壓力脈動(dòng)特征。但由于軸流泵內非定常流動(dòng)為邊界層很薄的高雷諾數湍流，邊界層內小渦的尺度往往比邊界層的厚度小很多，這使得要完全采用LES模擬薄邊界層內的流動(dòng)需對近壁區進(jìn)行精細的網(wǎng)格處理，計算量較大.針對這一情況，Spalart等提出的分離渦模擬方法(detachededdysimulation，DES)，以RANS/LES混合模式對計算域進(jìn)行求解，同時(shí)具備RANS方法對近壁網(wǎng)格要求低、計算效率高和LES方法對湍流核心區非定常流動(dòng)模擬精度高的特點(diǎn)，在求解水力機械內部非定常流場(chǎng)時(shí)具有特殊的優(yōu)勢。文中采用DES方法，對不同輪緣間隙下的軸流

　　泵內部三維不穩定流場(chǎng)進(jìn)行非定常計算，預測輪緣間隙泄漏流的形態(tài)及對泵外特性的影響，并對葉輪區的流場(chǎng)及壓力脈動(dòng)特性進(jìn)行分析，獲得泵葉輪室及葉輪出口處壓力脈動(dòng)隨輪緣間隙的變化規律.

1、物理模型及網(wǎng)格劃分

　　研究使用的軸流泵由中國水利水電科學(xué)研究院設計，其性能試驗結果見(jiàn)文獻。該泵葉輪直徑D2=300mm，葉片數Z=6，葉輪設計間隙δ=0.3mm，導葉數Zd=11，轉速n=1450r/min，額定流量Qd=0.35m3/s，額定揚程Hd=11m。取泵的進(jìn)口到彎管出口的整個(gè)泵段作為計算區域.為研究輪緣間隙對軸流泵內湍流壓力脈動(dòng)的影響，選取4組輪緣間隙值，間隙尺寸δ/D2分別為0.5‰，1.0‰，2.0‰和3.3‰，其中δ/D2=1.0‰表示設計輪緣間隙。

　　由于軸流泵葉輪內流道扭曲嚴重，輪緣間隙結構復雜，文中采用分塊結構化六面體網(wǎng)格對葉輪區域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，輪緣間隙區采用H-O-H型網(wǎng)格結構，如圖1所示.計算域其他部分采用對復雜邊界適應性強的非結構四面體網(wǎng)格.葉片周?chē)�和輪緣間隙區進(jìn)行了局部網(wǎng)格加密，為了保證網(wǎng)格密度相近，不同間隙尺寸下輪緣間隙內沿徑向分別布置5～15層網(wǎng)格，計算域內對應的網(wǎng)格單元總數為419萬(wàn)～489萬(wàn)。

圖1 葉輪及輪緣間隙網(wǎng)格

結論

　　采用基于S-A模型的DES方法，開(kāi)展了設計流量工況下不同輪緣間隙的軸流泵非定常流場(chǎng)計算，重點(diǎn)研究了輪緣間隙變化對葉輪流場(chǎng)結構和壓力脈動(dòng)特征的影響，取得以下主要結論：

　　1)隨著(zhù)輪緣間隙的增大，軸流泵的揚程和效率整體呈下降趨勢，輪緣間隙大于設計值時(shí)，揚程和效率下降幅度均顯著(zhù)增加。

　　2)輪緣間隙變化對軸流泵葉輪區壓力分布影響明顯，隨著(zhù)間隙增大，間隙泄漏渦逐漸向葉輪葉道內發(fā)展，渦核低壓區影響范圍增大。在3.3‰D2輪緣間隙下，葉輪流道內存在因泄漏流與主流相互作用壓力梯度劇烈變化區，且輪緣泄漏渦擴展至相鄰葉片的出口邊。

　　3)不同輪緣間隙下，葉輪室內壁壓力脈動(dòng)頻域值均以葉頻fn為主，壓力脈動(dòng)幅值的變化規律存在差異.葉輪室中部，壓力脈動(dòng)混頻幅值和fn的頻譜值均隨輪緣間隙增大而增大；靠近葉片進(jìn)口處的葉輪室內壁，壓力脈動(dòng)幅值和fn的頻譜值均隨輪緣間隙增大而減小。

　　4)葉輪出口斷面內，壓力脈動(dòng)頻域值主要為葉片通過(guò)頻率fn，最大壓力脈動(dòng)頻譜值隨輪緣間隙增大而減小。