段铭钰，吴承亮，黄逸哲

（广西大学机械工程学院，广西南宁530000）

轴流泵全流道三维定常流场特性分析研究

段铭钰，吴承亮，黄逸哲

（广西大学机械工程学院，广西南宁530000）

建立了轴流泵三维几何模型，采用分块结构网格划分技术进行了结构化的网格划分，给出了边界条件的设置及湍流模型的选取原则。在此基础上进行了轴流泵内部流场的数值模拟仿真计算，得到了不同工况下轴流泵叶片、导叶及交界面的压力云图和速度矢量图，分析了轴流泵压力和速度分布特性，其研究结果可为轴流泵的设计和性能改进提供参考。

轴流泵；非设计工况；CFD方法；流场分析

轴流泵具有流量大，扬程低，结构简单，使用方便的特点。在船舶、两栖车辆、喷水推进器等领域应用广泛，其流场特性不仅影响其工作效率，也关系到其使用寿命和运转平稳性。国内外学者对轴流泵流场特性进行了研究，张德胜等对不同湍流模型在轴流泵的应用中对轴流泵的性能预测提供了可靠的依据；李忠等通过对轴流泵内部流场数值模拟及实验对提高泵效和节能提供了理论依据；施卫东等对各种型号的轴流泵水力模型进行了一系列的设计和研究，并得到了其相关的结果和规律［1-5］。考虑到船舶领域的一些轴流泵在很多情况下工作在非设计工况，工况的改变是否会对轴流泵流场特性产生影响，其变化规律如何有待进一步研究。

本文以轴流泵为研究对象，采用CFD方法，并结合流体动力学、涡运动学等理论，对轴流泵进行三维几何建模、CFD网格划分、计算求解，在此基础上对不同工况的流场和规律进行分析。

1　轴流泵全流道三维几何建模和网格划分

1.1轴流泵模型有关参数及计算域实体造型

针对船舶领域对轴流泵的应用需求，本文选用某型号的轴流泵进行全流道三维流动数值模拟研究。其轴流泵参数为：叶轮直径300mm，叶片数3个，单机设计流量250 L/s，导叶叶片数7个，叶轮室壁面直径301 mm，叶轮的设计扬程4.5m，额定转速1 450 r/min.

根据叶片参数，采用升力法设计出叶轮叶片，选用成熟的翼型作为叶片从轮毂到轮缘径向方向截面的翼型形状。再分别设计出6个截面，通过6个截面上得翼型形状来确定轴流叶片的三维形状。导叶造型采用流线法设计，原理同叶轮设计。泵体除了叶轮、导叶，还有进口弯管、泵体叶轮外壁以及出口管部分。由于泵体叶轮外壁、出口管部分都是轴对称形式，可以通过给定轴截面，然后围绕轴线扫描360°的方法得到实体。最终的实体模型效果如图1所示。

图1　轴流泵整体CAD实体模型

1.2轴流泵的网格划分

在ICEM CFD中根据模型建立相应的拓扑结构，然后对应相应的点、线、面，建立对应的关系，映射后可以得到相应的引水管、叶片流道、导叶、导叶后流道、导管流场网格。内部表面网格和整体网格如图2、3所示。

图2　内部表面网格

图3　整体网格图

2　轴流泵边界条件的设置

本研究采用速度入口边界条件，即在泵的入口采用均匀的速度进口，轴向速度大小由流量和进口面积决定，如设计工况下的进口速度：

式中，Qd为设计工况流量，S为泵模型入口面积。流量与速度的对应关系如表1所列。

表1　不同工况下流量与速度的关系

3　轴流泵流场特性的仿真结果分析

对采用SST 2阶模型得出的泵内流场进行分析。

3.1叶片正面背面压力分布

泵运行时，流体经过旋转的叶轮室获得能量，叶片的水力性能直接影响到整个泵的水力性能。

本文中，选取1.0Qd、1.2Qd两个具有代表性的工况来分析叶片的压力分布，现列流量为Qd、1.2Qd时其正面静压云图如图4、图5所示。

图4　 Qd正面静压云图

图5　 1.2Qd正面静压云图

各种工况下的叶片正面的静压分布非常相似，轴向方向来看，从叶片的进口边到出口边，压力逐渐变大；径向方向来看，从叶片的轮毂到轮缘，压力逐渐变大。在轮缘处，出现有高低压相间的分布情况，这也是叶尖泄露涡的一种表现形式。

总体上，叶片从进口边到出口边，压力逐渐增加。在叶片靠近轮缘处出现了一个明显的低压区，从四种工况来看，最低压力区的面积和位置随着流量不同而有变化。流量从小到大变化时，最低压力区的位置从靠近进口位置不断向上推进，同时低压区的面积也随之增加，但最低压力的数值却不断增大。这个情况在叶片背面的总压分布图中也同样存在。在低压区最容易发生汽蚀，大量的实验也验证了这点。在1.2Qd工况时，叶片的进口处出现了一个狭长的高压区，这是因为高速流体冲击导致的。总体上看，叶片的正面压力大于背面压力。

3.2叶片正面背面的速度分析

图6、图7、图8分别为0.5Qd，Qd，1.2Qd工况下的叶片正面的速度分布情况。

图6　 0.5Qd正面相对速度矢量图

图7　 Qd正面相对速度矢量图

图8　 1.2Qd正面相对速度矢量图

从上述三种工况来看，总体上，叶片正面、背面相对速度从轮毂到轮缘逐渐变大。在设计工况流量下，叶片正背面的相对速度分布比较均匀，无回流现象。在小流量工况下，叶片正背面速度分布不太均匀，特别是在靠近出口边轮毂位置，出现了少量回流。这是因为流量减小，叶轮内流体的离心力比半径方向的压力梯度大，流体在叶轮出口侧向外缘附近径向移动，使得叶片出口侧外缘的流速快，轮毂侧慢，结果就在出口轮毂侧形成回流。在大流量工况（1.2Qd）下，大部分区域速度分布均匀，只在叶片背面出口边靠近轮毂处不太均匀。

3.3叶轮与导叶的交界面的压力分布

图9至图10为Qd，1.2Qd工况下叶轮与导叶之间的交界面压力分布。

图9　 Qd总压云图

图10　 1.2Qd总压云图

从上述两种工况来看，在叶片和导叶的交界面处成对出现了7个高低压相间的区域，而导叶个数是7，可以看出导叶进口高压区在这个界面上的影响。同时，也可以看出，随着流量的增加，高压区的面积也逐渐变大。

3.4导叶正面背面压力分布

如图11、图12是0.5Qd工况下，导叶的正背面静压云图，表2是0.5Qd工况下导叶正背面所受压力对应数值，可以看出在导叶的前缘处正背面分别有一细长的低压和高压区，说明流体从叶轮流进导叶体时存在冲击现象。另外，导叶正背面的压力沿轴向逐渐增大。

图11　导叶正面静压云图

图12　导叶背面静压云图

表2　工况下导叶正背面所受压力

3.5轴向截面的总压分布

图13是轴流泵总压云图，可以明显看出流体从进口到出口压力增大，在叶片处，变化最明显，这正体现出了轴流泵叶轮对流体的做功作用。

图13　轴流泵总压云图

4　结束语

本文以轴流泵为研究对象，通过建立其仿真模型，分析了轴流泵4种具有代表性的工况的压力和速度分布特性，揭示了其变化规律，具体如下：

（1）研究了四种工况下的叶片压力分布规律、叶尖泄漏涡，相对速度变化及回流情况，随着流量的增大，正面压力和背面压力的压差越大。

（2）分析了不同工况下导叶的压力和速度分布情况、工况的变化对导叶进口高压区在叶片和导叶的交界面上的影响，发现了流体从叶轮流进导叶时存在冲击现象且压力沿轴向增大的规律。导叶可将流体的动能转化为压力能，从而减小泵的水力损失，提高效率。

（3）轴向总压分析验证了轴流泵叶轮对流体的做功作用。

［1］张德胜，施卫东，张华，等.不同湍流模型在轴流泵性能预测中的应用［J］.农业工程学报，2012，28（1）：66-71.

［2］何希杰.轴流泵的现状与发展［J］.水泵技术，1998，（6）：29-33.

［3］施卫东.ZM931高比转速轴流泵水力模型的设计［J］.农业机械学报，1998，29（2）：48-52.

［4］施卫东.ZMB-750型轴流泵水力模型的研究［J］.农业机械学报，1999，30（4）：17-22.

［5］张光蓉.我国轴流泵的发展与开发研究［J］.东方电气评论，2004，18（l）：4-9.

Research of the 3-D Steady Flow Field of the Axial Flow Pum p

DUAN Ming-yu，WU Cheng-liang，HUANG Yi-zhe
（College ofMechanical Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China）

For the axial flow pump，the three dimensional geometric model is developed，it uses a block structured mesh technology for structured grid，given set of boundary conditions，and turbulencemodel selection principles. Based on the numerical simulation of the internal flow field of axial flow pump simulation，guide vane of axialflow pumps，axial flow pumps and their interfaces，their pressure and velocity vector are obtained under different operating conditions.By analyzing the pressure and velocity distribution characteristics of axial-flow pump，the research results are available for axial flow pump design and performance improvements.

axial flow pump；non design condition；CFDmethod；flow field analysis

TH312

A

1672-545X（2016）06-0028-04

2016-03-14

段铭钰（1992-），男，河南洛阳人，硕士研究生，研究方向：流体测控技术；吴承亮（1991-），男，广西玉林人，硕士研究生，研究方向：流体测控技术；黄逸哲（1990-），男，湖北武汉人，硕士研究生，研究方向：机器人机构学。