长短叶片离心泵三维湍流数值模拟与PIV试验

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自从 2O世纪 7O年代人们探索性发现在离心泵叶轮出口处设置分流短叶片可改变泵的性能以来 ，国内外学者 已开展了分流短叶片设计参数对泵性能影响的外特性试验研究和在势流理论基础上的分析计算，并进行了有关总结.在低比转数离心泵实际工程应用中已出现此类设计理念的产品，但在许多方面如设计理论和方法的研究上目前仍不够完善.虽然近几年来已逐步开展了该方面的湍流数值模拟研究l1。]，但还不够深入、系统，特别是缺乏与内流场测试的比较研究.为此，笔者从复合叶轮内特性研究出发 ，运用现代粒子图像测速技术(particle image velocimetry，PIV)和三维湍流数值模拟相结合的方法 ，分析复合叶轮设计参数对其 内、外特性 的影响规律 ，旨在探求 复合叶轮优 化设计 的准则和方法。

1 长短叶片离心泵设计及三维实体造型1.1 长短叶片离心泵设计采用加大流量与速度系数相结合的方法设计单圆弧圆柱型复合叶轮离心泵，其进口角 到出口角 沿径向呈线性变化；短叶片与长叶片间隔布置，其骨线线型亦为单圆弧圆柱型，出口角 与长叶片出口角 相等.叶轮主要 几何 参 数 ：D175 mm，D2- 180 mm，6 -12 mm，b2- 9 mm，do-40 mm ，Do- 65 mm， - 25。，-33。，Z-5.叶轮示意图见图 1。

为了研究短叶片的偏置对离心泵复合叶轮 内流场的影响，设计制作了 3副具有长短叶片的叶轮 (叶轮 A，B，C).每副叶轮采用相 同型线 的长 叶片 ，分 流短叶片进 口图 1 长短叶片离心泵叶轮示意 图Fig.1 Centrifugal pump impeller with splitters处截圆直径 D 均取 0.6(D。- D )D .3副复合叶轮短叶片均适当向长叶片的吸力面偏置，但程度各不相同.短叶片进口偏置角 和出口偏置角 0。取 0。，5。，1O。3种组合，短叶片出口相对液流角与长叶片相同. 为短叶片入 口处圆被长叶片骨线截得圆弧 的中分点和圆心的连线与短叶片人 口点和收稿 日期 ：2012-10-29. 联系人 ，E-mail：znhe###yzu.edu.cn。

基金项 目：江苏省自然科学基金资助项目(BK2008217)；国家自然科学基金资助项目(51076136)。

引文格式：何钟宁，陈松山，潘光星，等.长短叶片离心泵三维湍流数值模拟与 PIV试验 EJ].扬州大学学报：自然科学版2013，l6(2)：40-44。

42 扬州大学学报(自然科学版) 第 16卷压面 唱 ；i 片光面：-啜 兰 D相机(a)实验系统 (b)PIVf]试系统图 4 实验装置与 PIV测试 系统Fig.4 Experimental apparatus and PIV testing systemA，B两叶轮要前 移，但三者 中叶轮 A 效率 明显最高 ；大流量时 ，叶轮 B的效率大于叶轮 C，小流量则相反.在设计qv-22.0 1TI。·h 时，叶轮 A，B，c的效率分别为 62.2 ，58.32 ，6O.54 。

对 3副叶轮离心泵 整机进行 了三维湍流数值模拟，计算得到的3副叶轮在 q 及 0.57q 工况点外特性参数与实测性能对 比值见表 2.由表可知数值计算结果比实测值偏大.小流量下，叶轮 A，B，C的扬程计算值比实测值高0.8～O.9 i3"1，效率计算值比实测值高 7.4 ～11.6%；设计流量下，扬程则高出1.4～1.7 m，效率高出14 ～15 。

4.2 PIV测量与数值计算结果比较1)内流场比较.采用 PIV测试了3副叶轮叶槽中间截面在设计流量下 qv-22.0 rl。·h 的内流场 ，如图 6所示.在设计工况下叶轮 A，B，C的计算与实测结果均反映出在长叶片进 口处吸力面速度大于压力面 ，并沿流程吸力 面逐渐减小而压力面逐渐增大。

计算与实测结果均反映短叶片偏置不同对内流场影响明显.叶轮 B，C压力面与短叶片间流场变化急骤，特别是短叶片吸力面区域流态较差.原因是叶轮 B，C短叶片的人 口偏 置角(0 )均小于 出口偏置70605040 302Ol0O5 10 l5 2O 25 3O 35q /(m ·h )qv- ：1.叶轮 A；2.叶轮 B；3.叶轮 C；qy-H：① 叶轮 A；② 叶轮 B；③ 叶轮 c图 5 叶轮 A，B，C的性 能曲线Fig.5 Performance curves of impeller A，B，C表 2 数值模拟计算与实测性能对比Tab.2 Comparison of the numerical calculationand experimental performance角(02)，且叶片较短，短叶片人口的 较大，叶槽内液体质点在短叶片人口的相对液流角与 差异较大，绕流短叶片时，在其出El易产生较大的低速区，在短叶片吸力面沿流程范围内甚至出现明显的回流区.而叶轮 A合理的偏置角使得流态明显改善，流场变化均匀并得到很好的调整.总体而言，叶轮A的数值计算结果与PIV实测结果较接近。

2)出口相对流速分布比较.图7是选取位置接近的某-叶槽在设计工况下中间流面上出口处数值计算与实测结果的流速比较(图中l/z。为相对弧长).从图 7可看出数值计算结果都有先上升后下降的形态 ，叶轮 B，C在短 叶片与压力面中间有下凹，显示有低速 回流区 ，而压力面区域变化较平缓。

叶轮 A实测结果显示流速较均匀，但计算结果变化急骤；两者相对速度平均值均在4.0 m·s 左右，差别不大。

8 7 6 5 4 3 2 g-墨44 扬州大学学报(自然科学版) 第 16卷5 结论1)计算与实测结果均反映短叶片偏置不同对内流场有重要影响.当短叶片进 口偏置角小于出口偏置角(如叶轮 B，C)在短叶片吸力面区域会产生低速回流，而当偏置角合理设置后(如叶轮 A)流态可得到明显改善。

2)短叶片进口偏置角 10。、出口偏置角 0。的叶轮A其内部流速分布及外特性指标均优于叶轮 B，C，这表明合理偏置的长短叶片离心泵可增大扬程并提高效率。

3)数值模拟计算所得外特性指标在设计工况点及小流量工况点均偏高于实测指标。