高效率离心泵水力设计及BVF诊断

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bution of the designed pump is more even and smooth，with smaller peak values，which indicates thatthe BVF-based flow field diagnosis can help restrain the unfavorable flow and effectively improve thehydraulic perfbrmance of the centrifugal pump。

Key words：centrifugal pump；two-dimensional flow theory；hydraulic design；numerical sinmlation；boundary vorticity flux diagnosis离心泵由于其适用范围广、体积孝结构简单、操作费用低等优点，广泛应用于各个领域.传统离心泵叶轮设计主要采用基于相似理论的相似换算法和速度系数法，叶轮的水力性能主要依赖于相似型谱叶轮和设计者的经验.文 中以二元理论为基础，通过采用新的过流断面线及叶片头部空间修圆等计算方法，自编程序设计离心泵叶轮及蜗壳。

- 元理论和二元理论均假设叶片无穷多，且认为叶轮内流动近似轴对称，但与-元理论不同，二元理论认为轴面速度沿过水断面不均匀分布，这更加接近实际流动情况.二元理论已成功应用于各种泵叶轮的设计，如曹树良等 利用二元理论设计出高质量的高比转数混流泵叶轮；本课题组通过采用轴面轮廓自动调整、控制叶轮进出口速度矩增益函数变化进而自动调整轴面速度分布、采用贝塞尔曲线埘叶轮进出 边进行空问修圆等方法，进-步完善了相应离心泵叶轮二元理论水力设计计算机程序，设计出了水力效率更高的新离心泵叶轮，其中包括低比转数复合叶轮 。

为进-步深化对离心泵叶轮造型与其内部流场分布之间关联规律的研究，文中引入局部涡动力学诊断理论，利用其可对不良流动进行显著放大的优势，对叶轮叶片吸力面和压力面的边界涡量流(boundary vorticity flux，BVF)分布进行分析，探究其与叶轮水力性能的关系，为将来利用涡动力学诊断参数优化离心泵叶轮水力设计提供参考。

1 叶轮水力设计基于二元理论确定轴面速度沿过水断面线的分布-般有以下 2种假设 、：① 假设轴面运动为有势流动，即 .0；② 假设轴面速度沿过水断面按某种给定的规律分布，即n ≠0.按照上述假设可根据流量不变原则分割轴面流线，进而在计算流面上绘制叶片形状。

文中首先基于速度系数法，通过给定的设计参数获腮本尺寸参数，由程序生成轴面流道轮廓；然后采用准正交线法，基于二元流动理论对轴面流网进行计算，图 1为过流断面线；在已获取轴面流网的基础上，计算过流断面面积沿轴面流线的分布，如图2所示，并检验其分布合理性；再基于准正交轴面流网，通过对叶片轴面截线逐点积分，绘制叶片骨线；最后在轴面上对叶片进行加厚处理，并检验叶片的光滑性，采用四点贝塞尔曲线对叶片头尾部进行修圆.此方法相比传统鼻变换法可以更好地控制修圆形状.通过此方法生成的叶轮模型如图 3所示。

图 1 过流断[f线Fig.1 Cross section lines图2 过流断面面积沿轴面流线变化规律Fig.2 Distribution of cross section area alongmeridional streamline图3 叶轮模型Fig.3 Impeler model4 l-l 压力面 (b1吸力面图 11 参考叶片表面 BVF 分布Fig.1 1 BV distribution on surface of reference blade由图 10可知，在设计叶片压力面，出口存在较大 BVF正峰值区域，进 口靠近前盖板处存在小规模正、负峰值交替区域，其他区域分布均匀；在设计叶片吸力面，出口存在较大 BVF：正峰值，且其他区域存在较多孤立的正峰值区域.由图 11可知，参考叶片压力面和出口存在较大 BVF 正峰值区域，进口存在负峰值，其他区域分布均匀.叶片吸力面，进、出口存在正峰值区域，且峰值可达5.5 x 10 m/S ，约为设计泵吸力面峰值的4.3倍，这表明此处的涡量生成率急剧增大，它在空间上的累积效应最终可能导致大尺度分离.高而陡峭的 BVF：峰值是大尺度分离发生的先兆.由此可见，叶片压力面的BVF 分布相对于叶片吸力面更为均匀，应该重点对吸力面进行优化设计.在设计叶片压力面进 口靠近前盖板处存在小规模正、负峰值交替区域，与此处压力分布不均匀相吻合，此处压力梯度较大，说明BVF诊断能够反映增压的情况，有利于找到设计缺陷.不管是压力面还是吸力面，参考叶片上 BVF正、负峰值绝对值均较设计叶片大，说明在参考叶片上压力梯度较大，增压不合理.这与设计叶片比参考叶片静压分布更为均匀相吻合，说明应用 BVF对叶片表面缺陷进行诊断放大是切实可行的。

图 12为设计叶片与参考叶片在叶高中间面上进口附近的相对速度矢量图。

： (a)设计叶片进口、、、、(b)参考叶片进口图 12 叶高中间面上叶片进口附近相对流动矢量Fig.12 Relative velocity vector at blade inlet nearbyon the mid-span of impeler由图12可以看到，2个叶片进口附近的流态有很大 xE，l，用贝塞尔曲线修圆的叶片进口流态相对平顺，相对速度与叶片方向接近-致，而参考叶片进口相对速度杂乱，与叶片方向夹角较大，冲击损失大.参考叶片头部BVF：峰值较大，能反映出此处流态较差。

5 结 论1)对比分析设计离心泵和参考离心泵数值模拟结果，设计离心泵在小流量工况下较参考离心泵扬程和效率更高，最高效率可提高5.3%，设计点效率提高约4%；而在大流量工况下扬程和效率均急剧降低.设计叶轮进口端空间弯扭形状明显，更符合流体实际流动。

2)相比参考叶轮，设计叶片 BVF分布更均匀，且峰值较小，变化平坦，说明设计叶片增压 比较理想，能有效地抑制流动分离等不良流动的发生，改善离心泵的水力性能.但设计叶片BVF分布仍不太理想，叶片进口靠近前盖板存在小规模正、负峰值交替区域，通过修改相应区域的叶片角来优化叶片是下-步研究的内容。