轮缘间隙对轴流泵内部非定常流场的影响

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黎耀军，沈金峰，洪益平，等.轮缘间隙对轴流泵内部非定常流场的影响[J].排灌机械工程学报，2013，31(8)：667-673Efect of tip clearance on unsteady flow in axial-flow pumpLi Yaojun ，Shen Jinfeng ，Hong Yiping ，Tang Xuelin ，Zhang Zhimin(1.College of Water Resources＆Civil Engineering，China Agricultural University，Beijing 100083，China；2.China Institute ot WaterResources and Hydropower Research，Beijing 100044，China)Abstract：In order to study the influence of the tip clearance on the unsteady flow and performance ofthe axial-flow pump，adopting the Spalart-A1Maras model based detached eddy simulation(DES)method and sliding mesh technique，numerical simulations of internal turbine flow of the axial-flowpump under designed conditions were carried out.The internal unsteady flow and its pressure pulsa-tions of four different tip clearance sizes were simulated and analyzed.W ith the designed tip clearance，the predicted pump head and eficiency matched well with the measured data，and the maximum rela-tive errors were less than 2.0% and 3.0% .respectively.The numerical results show that the pumpperformance，especialy the head and eficiency tend to decrease as tip clearance becomes bigger；theintensity and range of the tip clearance vortex increase as the tip gap grows.When the gap reaches3.3%cD2，the tip clearance vortex expands to the trailing edge of the neighboring blade.The results alsoshow that the blade passing frequency dominated the pressure fluctuations in the impeller.The increaseof the blade tip gap led to a reduction of the maximum pressure fluctuation amplitude on the front part ofthe impeller casing，but an increase on the middle part of the impeler casing.Pressure fluctuations inthe impeler-vane gap region are dominated by the blade passing frequency( )，while the maximum收稿日期：2012-12-13；网络出版时间：2013-07-2O网络出版地址：htp：///kcms/delail/32.1814.TH.20130720.0929.001.html基金项目：国家自然科学基金资助项目(51009138)；教育部博士点基金资助项目(20090008120032)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项 目(2012QJ054)作者简介：黎耀军(1978-)，男，江西宜春人，副教授(1iyaojun###cal1.edu.cn)，主要从事流体机械优化设计及流动机理研究。

沈金峰(1988-)，男，浙江平湖人，硕士研究生(sjfB81129###163.COI1)，主要从事流体机械流体动力学分析研究。

pressure tluetuation amplitude was observed to decrease as the tip clearance size ineieases。

Key words：axial-tlow pump；tip clearance；detached-eddy simulation；tip leakage vortex；pressure fluctuation轴流泵轮缘间隙泄漏流动及其 j叶道主流、壁面边界层和叶片尾流的卡日瓦作用，形成泵N-f 轮内复杂的旋涡结构和旋转不稳定流动，将降低泵的能量性能，引发问隙泄漏空化、水力激振和噪声，严重影响轴流泵的运行稳定性 .研究受轮缘问隙流动影响的轴流泵内压力脉动规律，具有重要工程意义。

对于受轮缘问隙泄漏流动影响的轴流泵内非定常流场的研究，主要有试验和数值计算2种手段。

采用 )IV(particle image velocimetry)等测试技术，可对间隙泄漏涡流的内部结构及发展过程进行观测 ，但受试验费用高、叶轮内测试设备不易安装及比尺效应等因素制约，对泵内压力脉动的试验研究还很困难 .因此，很多学者开展了轴流泵内非定常流动的数值模拟研究 J，其中，采用大涡模拟方法(Jarge eddy simulation，LES)直接求解瞬态 N-S方程，可描述大尺度涡运动并捕获丰富的非定常流动细 ，较准确地求解得到了泵内的压力脉动特 . 但由于轴流泵内非定常流动为边界层很薄的高甫诺数湍流，边界层内小涡的尺度往往比边界层的厚度熊多，这使得要完全采用 LES模拟薄边界层内的流动需对近壁区进行精细的网格处理，计算龄较大.针埘这-情况，Spalart等 提出的分离涡模拟 方法 (detached eddy simulation，DES)，以RANS/LES混合模式对计算域进行求解，同时具备RANS方法对近肇网格要求低、计算效率高和 LES力法对湍流核心区非定常流动模拟精度高的特点，在求解水力机械内部非定常流场时具有特殊的优势 。。 。

文中采用 DES方法，对 同轮缘间隙下的轴流泵内部 t维小稳定流厨行非定常计算，预测轮缘间隙泄漏流的形态及对泵外特性的影响，并对口I 轮区的流嘲J土力脉动特性进行分析，获得泵叶轮室及叶轮出口处压力脉动随轮缘间隙的变化规律。

物理模型及网格划分研究使用的轴流泵由中国水利水电科学研究院没汁，其性能试验结果见文献[14].该泵叶轮直D ：300 mil，叶片数Z6，叶轮设计间隙 0.3mm， l r数Z 1 1，转速n：1 450 r/min，额定流量Q I0.35 m /s，额定扬程 H 111 HI。

取泵的进 口到弯管出口的整个泵段作为汁算区域.为研究轮缘间隙对轴流泵内湍流压力脉动的影响，选取4组轮缘问隙值，HJ隙尺寸 8/D，分别为0.5‰，I.0‰ ，2.0‰和 3.3‰ ，其中 8/D，1.0‰表示设计轮缘间隙。

由于轴流泵叶轮内流道扭曲严重，轮缘间隙结构复杂，文中采用分块结构化六面体网格对叶轮区域进行网格划分，轮缘间隙区采用 H-0-H型网格结构，如图 1所示.计算域其他部分采用对复杂边界适应性强的非结构四面体网格.叶片周 和轮缘问隙区进行 了局部网格加密，为了保证网格密度相近，不同问隙尺寸下轮缘间隙内沿径向分别布置 5～ 15层网格，计算域内对应的网格单元总数为 419万 ～489万。

rb)轮缘J'l1]隙例格拓扑结构图 1 叶轮及轮缘问隙网格Fig.1 Computational mesh of impeler an(1 tip cleat anc(2 数值计算方法2.1 湍流模型采用 DES方法研究轴流泵内部湍流压力脉动，近壁区采用基于 s-A模型的 RANS方法 ，其他区域采用基于 Smagorinsky-Lily业格子尺度模 的LES方法。

s-A模型通过求解与湍流黏性系数 相关的变量 的微分方程实现湍流模拟.该方程的形式为( - ：) -(clL/ - )( )-7.3%；cS/D 3.3%e1寸 处脉动频谱值较设计轮缘间隙下增大约 13.0%。

3.3.2 对叶轮出口断面湍流压力脉动的影响Fj于叶轮尾流与间隙泄漏流的相互影响及叶轮 导叶的动静耦合，在叶轮出口处形成复杂的湍流场.选取叶轮 [-I断面监测点 P ，分析 同轮缘间隙对该点压力脉动的影响，波形如图 12所示。

(a) /D 0 5%o12 不l百轮缘司隙 F J[) 点压力脉动时域罔Fig.1 2 Pressme fluctuation al location P rnr diferenttip clearances从 l2巾可以看出，各轮缘问隙下，叶轮出口断面人J压 J脉动呈现明显的周期性变化规律，压力脉动时域波形相似，均出现 厂较明显的次波峰和次波谷，其幅值约为最大脉动幅值的 1/3.随轮缘间隙增加，P 点压力脉动幅值减小，8/D 0.5‰时，最大压力脉动混频相埘幅值 约为 0.14；8/D 3.3%dt，A.约为0.13。

13 不同轮缘间隙下P 点压力脉动频率域Fig.1 3 Frequency speclra of pressure fluctuation allocation P7 for diferent tip clearances从图l3町以看出，不同轮缘问隙下的压力脉动频率均以叶频 的倍频为主，其中 占据整个压力脉动频域特性的主导地位.随着轮缘间隙的增大，处的脉动频淆值逐渐减小：8/D：0.5%。时，最大压力脉动频谱值 比设计轮缘问隙下增加约 9.3%；8/D 2.O%e和8/D 3.3%e时，最大压力脉动频谱值差别不大，分别比设计轮缘间隙的压力脉动频谱值下降约 18.1%和 17.9%。

4 结 论采用基于 s-A模型的 DES方法，开展 J，设计流量工况下不同轮缘间隙的轴流泵非定常流场f算，重点研究 厂轮缘间隙变化对叶轮流翅构和压力脉动特征的影响，取得以下主要结论：1)随着轮缘间隙的增大，轴流泵的扬程和效率整体呈下降趋势，轮缘间隙大于设计值时，扬 和效率下降幅度均显著增加。

2)轮缘间隙变化对轴流泵叶轮区压力分布影响明显，随着间隙增大，间隙泄漏涡逐渐向叶轮叶道内发展，涡核低压区影响范嗣增大.在3.3%eD 轮缘问隙下，叶轮流道内存在冈泄漏流与主流相互作用压力梯度剧烈变化区，日轮缘泄漏涡扩展至相邻叶片的出口边。

3)不同轮缘间隙下，叶轮室内壁压力脉动频域值均以叶频 为主，压力脉动幅值的变化规律存在差异.叶轮室中部，压力脉动混频幅值和 的频谱值均随轮缘问隙增大而增大；靠近叶片进口处的叶轮室内壁，压力脉动幅值和. 的频谱值均随轮缘间隙增大而减小。

4)叶轮出L断面内，压力脉动频域值主要为叶片通过频率 / 最大压力脉动频谱值随轮缘间隙增大而减小。