叶轮流道结构对双流道泵性能的影响

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I j.旧 Key words：double-channel pumps；passage structure；numerical simulation；hydraulic performance；non-blocking双流道泵是-种叶轮形式特殊的流道式离心泵，亦称双流道离心泵.它具有叶轮结构对称、运行平稳且无堵塞性能好的特点，其产品主要的类型为潜水污水泵，可用于抽送生活污水、工业废水及含固体颗粒和纤维物的液体，广泛应用于市政、轻工、化工、建筑、矿山和冶金等行业 。

目前，国内外学者已对双流道泵的叶轮进行了大量研究，研究方法主要是试验法和数值模拟法。

程效锐 运用标准的 k- 湍流模式，在双参考系下利用有限控制体积法对雷诺平均 Navier-Stokes方程进行数值离散，并采用 SIMPLE方法求解，对双流道泵在不同工况下的内部流动进行了三维数值模拟和性能预测.刘厚林等 通过对双流道泵叶轮内湍流的数值模拟，揭示了双流道泵叶轮内湍流流动的速度分布、压力分布和湍动能分布规律.Ratl等 对离心泵蜗壳隔舌不同观测点进行了非定常流的数值分析.赵斌娟等 通过试验方法，应用 PIV分别测量了双流道叶轮和双叶片叶轮的内部流动，并 自编程序对测量所得绝对速度进行分解，得到相对速度，分析了流场分布变化.李亚林等 基于固液两相流理论，重点考虑黏性阻力和旋转因素对粒子的影响，对离心泵内部湍流场中的示踪粒子进行了受力分析，并对内流场测试中示踪粒子进行了跟随性的计算.可见，国内外学者对双流道泵的研究主要集中在就成熟模型进行内部流场分析 J，而关于叶轮流道结构变化对双流道泵性能的影响的研究较少.在叶轮流道设计中，流道结构直接影响流道空间形状，对双流道泵的水力性能具有重要影响。

文中从叶轮流道结构变化的角度来研究双流道泵的内部流嘲其流动特性，采用标准 尼- 湍流模型和全隐式多网格耦合算法，对双流道泵叶轮的3种流道结构，即上圆弧式(方案 a)、直线式(方案b)、下圆弧式(方案 C)进行全流道三维不可压缩湍流流场的数值模拟，并比较其在相同工况下的水力性能，探寻最优的双流道泵叶轮流道结构.在此基础上，对最优叶轮流道结构双流道泵进行试验验证。

1 3种方案泵结构的主要设计参数以某型双流道泵为计算模型，设计工况：流量QN50 m。/h；扬程H10 m；转速n1 450 r/min.3种方案的泵体均为螺旋形蜗壳，但泵叶轮流道结构不同.叶轮结构参数：进口直径 D 85 mm；出口直径D2200 mm；出口宽度b260 mm；流道数Z2；叶片包角 135。.蜗壳结构参数：基圆直径 D 235 mm；出 口直径 D 80 mm；进 口宽度 b，75 mlT1。

1.1 参数量纲～化为了相关数据比较合理化，避免参变量单位改变引起实际权重的变化，利用归-化方法将各参数经过变换为量纲-化参数.主要考查指标为双流道泵的效率和扬程，分别将其变换为rh ， ， ㈩ 式中：H 为第 i组样本点的扬程值，m；叼 为第 组样本点的效率； 为设计工况点双流道泵叶轮的3种方案平均模拟扬程；叼 为3种方案平均模拟水力效率。

1.2 考查指标的确定双流道泵的设计原则是保证在-定无阻塞性下满足需要的扬程，并且具有较宽的高效区范围。

按照这个原则，数值模拟的考查指标确定为双流道泵的扬程 H和效率 叼.利用加权法，将多指标规划方法转化为单指标规划方法来求解.赋予扬程和效率不同的权重 A 和 A：，且满足评价函数：F A 叼：A 日：. (2)文中重点分析双流道泵结构参数对效率的影响，因此确定权重的取值为A 0.6，A 0.4。

1.3 平面流道中线及系数设计流道的空间形状由轴面图形状、叶轮流道结构和平面图流道中线的方程共同决定.图 1为平面流道截面面积变化规律，方案 a，b，C分别表示流道截面面积按照上圆弧式、直线式、下圆弧式变化.横坐标表示平面流道中线的展开长度，纵坐标表示流道的截面面积， 。为叶轮进口0断面面积， ，为流道出口0 断面面积。

40-图 1 流道截面面积变化规律Fig.1 Variation law of section area in passage 图2表示流道各截面在轴面图上的位置，选择01，03，05截面及进出口截面可以较好地描述泵流道的结构。

A2 双流道泵叶轮轴面图Fig.2 Axial plane of double-channel pump impeler1.4 叶轮流道结构叶轮流道结构是影响双流道泵水力性能的重要因素。图 1中给出3种叶轮流道结构的截面面积变化规律，可以看出：当叶轮流道中线截面面积按照方案 a和方案 12规律变化时，流道中部的截面面积比按直线式(方案 b)规律变化要小，这样流道中部的液流速度相对要快些，有利于提高流道的无堵塞性.同时从流道中部到出口截面其面积变化较小，有利于改善介质的流动条件。

在双流道叶轮水力设计中，平面流道中线的好坏见图3，它的形状直接决定了内流道和外流道(相当于叶片式离心泵的吸力面和压力面)的形状，对泵的性能有很大的影响.通过研究分析发现，改变叶轮流道结构，由于流道截面形状为椭圆形，选取01，03，05为变化截面，保持椭圆截面的长轴不变，根据图 1的流道截面面积的变化规律，获得对应的短轴长度.具体数值变化如表 1所示.表中s为截面面积；。为椭圆长轴长度；b为椭圆短轴长度。

图3 双流道泵叶轮平面图Fig.3 Plane of double-channel pump impeler表 1 流道截面面积变化Tab.1 Variation law of section area in passage2 数值计算数值模拟分析流道及蜗壳内介质的流动情况，由于流道与蜗壳之间存在 35 mm环隙，其中 10 iTlnl与蜗壳组合-体设置静止；另外独立的25 mm环隙设置与流道同转速.利用 Pro/E软件绘制三维叶轮和蜗壳几何造型，考虑计算收敛的稳定性，增加2.5～3.5倍流道进出口直径长度的进液管和出液管，选择装配完成的叶轮和蜗壳作为计算区域。

2.1 模型建立2.1.1 几何模 型方案 a，b，c的三维模型示意图如图4所示.其中0l-07截面形状为椭圆形，0截面为圆形，保持进出口截面面积不变，改变01，03，05截面的面积，绘制3套方案下的叶轮流道模型.方案 a按照上圆弧式流道截面面积变化规律绘制，保持进出口直径不变，改变0l，03，05截面尺寸，保持椭圆截面长轴尺寸不变，获得短轴尺寸，绘制模型；方案 b的叶轮流道截面数据由PCAD获得 CAD图纸直接读出绘制；方案 c的叶轮流道截面面积按照下圆弧式变化规律绘制，其他同理于上圆弧式绘制方案.叶轮结构特征尺寸如表 1所示。

图4 双流道泵的计算区域Fig.4 Computational domain of double-channel pumpI ，啊 2.1.2 数学模型根据流体机械理论基础，结合 CFX软件特点，选择主控方程为连续性方程(3)和 N-S方程(4)：： 0. (3)OXi警 O u2 古老 ，(4)式中：p为流体密度；u。为圆周速度张量； 为流速O l梯度张量；F 为流体质点单位质量力。

根据流道内流体的流动状态判断方法 ，本例中流动因子 大于 1，采用湍流模型.为便于计算，忽略影响因子很小的因素，做出如下假设：忽略体积力的作用，例如重力或磁力；流体为不可压缩流体，密度不随压力变化；流体的黏度不随时间变化，为-个常数。

2.2 离散格式采用混合有限元法与有限体积法对方程组进行离散，压力与速度的耦合采用 SIMPLE算法.其他项采用中心差分格式，并将扩散项和压力梯度项用形函数表示.此种算法既具有有限体积法的守恒特性，又具有有限元法的数值精确性。

2.3 计算区域及网格离散化利用三维建模软件分别对 3种方案的双流道泵计算域进行建模，选用 Ansys-ICEM软件对模型进行网格划分，应用软件 Ansys-CFX求解双流道泵内部三维定常流场.由于双流道泵叶轮和蜗壳结构较复杂，故采用非结构四面体网格对其进行网格划分；而进液管、出液管和环隙结构较简单，形状规则，故采用正六面体进行网格划分.图5是 3种方案泵的扬程与叶轮网格数关系的网格无关解验证曲线.当叶轮网格数 Ⅳ以 10 量级增加时，出口扬程 日相对增加值小于0.148 6%，此时箭头指向点认为达到网格无关解要求.最终计算得到 3种方案总网格数分别为 944 929，1 065 525和 991 607.计算区域网格数及网格质量如表 2所示。

lO图5 3种方案叶轮网格无关解验证曲线Fig.5 Grid dependence analyses of three schemes表 2 流道泵计算区域及网格质量Tab.2 Calculation regfon and mesh quality of double-channel pumps2.4 边界条件双流道泵数值模拟以清水为介质，使用标准 -湍流模型.由于叶轮流道与静止蜗壳存在相对运动，研究中使用多重参考坐标系 MRF方法.叶轮和环隙网格处于旋转运动坐标系中，而进液管、出液管及蜗壳网格设在静止坐标系中.这 5个计算区域的网格分别单独生成，并通过 GGI方法连接.叶轮区域设置为旋转域，蜗壳、进出口流道设置为固定域.叶轮与蜗壳交界面设置为冻结转子格式，用于定常分析，其他交界面选择默认格式。

1)进口边界条件：基于稳态计算 ，计算域由于流体无压缩，选择速度进口，假设进口端的绝对速度矢量垂直于进 口表面，指向旋转轴方向.泵入 口湍流强度选择中等湍流强度，湍流强度假定为 5%。

2)出口边界条件：出口边界采用 Opening边界，Opening边界允许流体流入和流出计算域，是更加稳舰易于收敛的边界条件.指定开放压强和方向，当流体是流入计算域时，设定的压力被当作总压处理；当流体是流出计算域时，设定的压力被当作静压处理，此处压力设置为0 Pa，流体方向与出口面垂直。

3)壁面条件：计算区域内的叶轮进出口部分以及其他过流部件壁面为非旋转运动，叶轮叶片为旋转壁面，采用固壁无滑移边界条件，近壁面区流动采用标准壁面函数进行计算。

3 计算结果及分析对双流道泵 3种方案进行流场数值模拟，并详细分析方案 a，b，C双流道泵内部流嘲在截面01，l z 喝 更高的速度.图8b中方案 a显示在与流道分离处附近存在旋涡。

3.5 最优方案的确定从数值模拟结果看，在设计工况下，方案 a扬程最小，方案 c水力效率是最高的；方案 b扬程及效率均较优，且综合性能指标最高.分析流道截面变化及流场分析，方案 b的压力及速度均稳定，流道的通透性较好.综合考虑叶轮的无阻塞性能，以及扬程的设计要求等，认为方案 b是双流道泵最佳的流道结构。

4 结 论1)流道的结构变化对双流道泵的水力性能有影响，方案 b水力性能总体优于方案 a，c；方案 a，c的有效流道体积均增大，在无阻塞性上有-定的优势；方案 a无阻塞性能最好。

2)在设计工况下，3种方案在叶轮流道 01，03，05截面速度分布总趋势是随半径增大而增大，在流道出口前变化很明显，并且分布规则.3种方案流体速度由径向延至紧靠流道壁处依次减小，最后贴壁处达到0，在流道出口处，即离开流道壁时，速度逐渐增大。

3)与方案 b，c相比，方案 a的水力效率最低，在流道出口处具有更加明显的压力降；方案 b与其对应的性能试验数据吻合较好，具有最高的扬程和较高的水力效率；方案 c具有最高的水力效率，但扬程最低。