不同叶顶间隙对轴流泵空化性能及流场的影响_施卫东
叶顶间隙对小型轴流风扇气动性能的影响
０ 引 言
小 型轴 流风扇广 泛用 于笔记本 电脑 、 服务器 等较 昂贵 的 电子产 品中 ， 而近些年对其研 究 主要 集 中在性
能测试方面 ＿ 】 ］ ， 对 于内部流动和优 化方 法 的研 究相对
叶片 ， 能 减少 叶顶 间 隙泄 漏 涡 的产 生 和通 过 叶顶 间
隙的泄漏量。Ｔ ．Ｆ ｕ ｋ ａ ｎ ｏ 等＿ ６ ］ 研究了叶顶间隙对轴
流 风扇 噪声 的影 响 ， 结果 显示 ： 叶 顶间 隙处产 生 的涡 流 和泄露 流是 噪声 产生 的主要 来源 。欧 阳华 等ｌ ７ ］ 用 Ｃ Ｆ Ｄ对 轴流 风机 的气 动噪 声进 行 数值 模 拟 ， 并 将 结 果 与实 验对 比 ， 发 现模 拟预测 精度 较好 ， 能够 满足 工 程 分析 的需要 。三维非 定常湍 流 流动是 叶轮 区域 流
浙 江理 工大 学学报 ， 第３ Ｏ卷 ， 第 ４期 ， ２ ０ １ ３ 年 ７月
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｚ ｈ ｅ ｊ ｉ ａ ｎ ｇ Ｓ ｃ ｉ — Ｔｅ ｃ ｈ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ
Ｖ０ １ ． ３ ０，Ｎｏ ． ４ ，Ｊ ｕ １ ．２ ０ １ ３
比较 明显 ； 在叶顶 间隙处 ， 沿径 向， 小叶顶间 隙涡脱 落 比大叶顶 间隙早 ； 离散噪 声的峰值 出现在基频 和谐 波频率 处，
并 且 在 高频 处 声压 衰减 比较 快 。
关键词 ：小型轴流风扇 ；叶顶 间隙； 静特 性 ； 噪 声； 数值模拟
中 图分 类 号 ： Ｔ Ｍ９ ２ ５ ． １ １ 文献标志码 ： Ａ
出了涡声 理论 ， 他认 为在 低马 赫数条 件下 ， 涡是 等熵
绝热流体产生流场 和辐 射声场 的基本且唯一 的来 源， 为湍 流 发 声 提 供 了 理 论 依 据 。Ｕｒ ｒ ａ ｙ Ｈｏ ｄ ｇ ｓ ｏ ｎ 等［ ４ ］ 对小型 Ｃ Ｐ Ｕ 风扇 的噪声 进行 了研究 ， 发 现大 流
不同空化数下轴流泵叶顶间隙区空化特性_张德胜
Test bench of axial flow pump
试验系统主要由稳压罐、 汽蚀罐、 进出口测压 管、 增压泵、 涡轮流量计、 转速转矩仪、 调节阀和模型 泵等组成。转速转矩仪测量泵轴转速、 转矩和轴功 率， 泵扬程由进出口压力传感器测量 ， 流量由涡轮流 并由采集系统输送到计算机自动记录不 量计测量， 同工况下的外特性。 轴流泵空化试验高速摄影系统如图 4 所示。 全 透明模型泵卧式安装在泵模型段， 如图 5 所示。 高 Serise 4L 型高速摄影 速摄影采用美国 IDE 公司 Y最大拍摄速度 256 000 帧 / min， 本次试验设置的 机， 采样频率为 5 000 Hz， 曝光时间为 107 μs， 采用卤光 灯进行拍摄补光。
引言
轴流泵广泛应用于农田灌溉、 水利调水、 核电火 电、 船舶喷 水 推 进 和 导 弹 发 射 等 国 民 经 济 重 要 领 域
［1 ］
种不同结构的转轮的泄漏空化涡带进行了拍摄 ， 观 察到不 同 叶 顶 断 面 形 状 产 生 的 泄 漏 空 化 涡 的 特 征
［17 ］
。
。轴流泵叶轮和端壁间不可避免地存在间隙
叶轮网格信息
网格质量 0. 53 0. 59 0. 62 设计扬程 / m 计算扬程 / m 2. 99 2. 99 2. 99 2. 901 2. 973 2. 972
Information of impeller grids
式中
— —气相体积分数 αv — pv — — —汽化压力， Pa
槡
式中经验常数分别为： 蒸发系数 F e = 50 ； 凝结系数 F c = 0. 01 ； 气核的体积分数 r nuc = 5 × 10 － 4 ； 空泡半径 Ｒ B = 10 － 6 m。 考虑湍流压力脉动 p turb 对汽化压力的影响， 对 p v 修正如下 p v = p sat + p turb 2 （ 3） （ 4）
不同叶顶间隙下斜流泵内部流动特性的数值模拟
第３８卷 第８期Ｖｏｌ．３８ Ｎｏ．８张德胜不同叶顶间隙下斜流泵内部流动特性的数值模拟张德胜１，沈熙１，董亚光１，王超超１，刘安１，施卫东２（１．江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心，江苏镇江２１２０１３；２．南通大学机械工程学院，江苏南通２２６０１９）收稿日期：２０１８－０１－１６；修回日期：２０１８－０３－１７；网络出版时间：２０２０－０７－３１网络出版地址：ｈｔｔｐｓ：／／ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／３２．１８１４．ＴＨ．２０２００７２９．１７２５．０２４．ｈｔｍｌ基金项目：国家自然科学基金面上资助项目（５１７７６０８７，５１９７９１２５）；江苏省重点研发计划项目（ＢＥ２０１５００１－３）；江苏省产学研前瞻性联合研究项目（ＢＹ２０１５０６４－０８）；江苏省３３３工程项目（２０１６Ⅲ－２７３１）；江苏省六大人才高峰计划项目（ＨＹＧＣ－００８）第一作者简介：张德胜（１９８２—），男，江苏南通人，研究员，博士生导师（通信作者，ｄｅｓｈｅｎｇ１９８２＠１６３．ｃｏｍ），主要从事流体机械设计理论及流动特性研究．第二作者简介：沈熙（１９９２—），男，江苏宿迁人，博士研究生（ｓｈｅｎ．ｘｉ．０１＠ｏｕｔｌｏｏｋ．ｃｏｍ），主要从事轴流泵叶顶区流动及空化特性研究．摘要：为研究轮缘叶顶间隙对斜流泵性能和流动不稳定特性的影响，基于ＳＳＴｋ－ω湍流模型对某斜流泵选取了０，０．２５，１．００，２．００ｍｍ４种尺寸的叶顶间隙进行数值计算，分析间隙区域内压差分布、泄漏量、叶顶泄漏涡旋强度以及进口轴面速度分布．结果表明：不同运行工况下，斜流泵泄漏量从叶轮进口到叶轮出口先增大后减小，其与间隙区内压差变化趋势相吻合．叶顶泄漏量随着间隙尺寸的增大而增大，导致泵的能量损失增大．经对比发现，间隙尺寸是影响叶顶泄漏量的主要因素．小流量工况下，随着叶顶间隙尺寸的增大，叶顶泄漏流与主流卷吸作用形成的泄漏涡强度逐渐增强．部分泄漏流进入相邻叶片通道，导致其流动失稳．随着叶顶间隙的增大，斜流泵能量损失明显增多，且内流不稳定性明显加剧．增大流量后，不同间隙下叶顶泄漏涡旋转强度均逐渐降低．关键词：斜流泵；叶顶间隙；叶顶泄漏涡；不稳定特性；轴面速度中图分类号：ＴＨ３１４；Ｓ２７７．９ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７４－８５３０（２０２０）０８－０７５７－０７Ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４－８５３０．１８．００１５ 张德胜，沈熙，董亚光，等．不同叶顶间隙下斜流泵内部流动特性的数值模拟［Ｊ］．排灌机械工程学报，２０２０，３８（８）：７５７－７６３． ＺＨＡＮＧＤｅｓｈｅｎｇ，ＳＨＥＮＸｉ，ＤＯＮＧＹａｇｕａｎｇ，ｅｔａｌ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｂｌａｄｅｔｉｐｃｌｅａｒａｎｃｅｓｏｎｉｎｔｅｒｎａｌｆｌｏｗｃｈａｒａｃｔｅ ｒｉｓｔｉｃｓｉｎｍｉｘｅｄ ｆｌｏｗｐｕｍｐ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆｄｒａｉｎａｇｅａｎｄｉｒｒｉｇａｔｉｏｎｍａｃｈｉｎｅｒｙｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（ＪＤＩＭＥ），２０２０，３８（８）：７５７－７６３．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｂｌａｄｅｔｉｐｃｌｅａｒａｎｃｅｓｏｎｉｎｔｅｒｎａｌｆｌｏｗｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｉｎｍｉｘｅｄ ｆｌｏｗｐｕｍｐＺＨＡＮＧＤｅｓｈｅｎｇ１，ＳＨＥＮＸｉ１，ＤＯＮＧＹａｇｕａｎｇ１，ＷＡＮＧＣｈａｏｃｈａｏ１，ＬＩＵＡｎ１，ＳＨＩＷｅｉｄｏｎｇ２（１．ＮａｔｉｏｎａｌＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｏｆＰｕｍｐｓ，ＪｉａｎｇｓｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ２１２０１３，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｎｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｔｏｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ２２６０１９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｔｉｐｃｌｅａｒａｎｃｅｏｎｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｕｎｓｔｅａｄｙｆｌｏｗｉｎｔｈｅｍｉｘｅｄ ｆｌｏｗｐｕｍｐ，ｆｏｕｒｓｉｚｅｓｏｆｔｉｐｃｌｅａｒａｎｃｅｓ（０，０．２５，１．００，２．００ｍｍ）ｗｅｒｅｓｅｌｅｃｔｅｄｔｏｃｏｎｄｕｃｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎＳＳＴｋ－ωｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅｍｏｄｅｌ．Ｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，ｌｅａ ｋａｇｅｆｌｏｗｒａｔｅ，ｉｎｌｅｔａｘｉａｌｖｅｌｏｃｉｔｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄｔｉｐｌｅａｋａｇｅｖｏｒｔｅｘｒｏｔａｔｉｏｎｉｎｔｅｎｓｉｔｙｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｌｅａｋａｇｅｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌｐｕｍｐｆｒｏｍｉｍｐｅｌｌｅｒｉｎｌｅｔｔｏｉｍｐｅｌｌｅｒｏｕｔｌｅｔｓｈｏｗｓａｔｅｎ ｄｅｎｃｙｔｈａｔｉｎｃｒｅａｓｅｓｆｉｒｓｔａｎｄｔｈｅｎｄｅｃｒｅａｓｅｓｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｏｐｅｒａｔｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｗｈｉｃｈｉｓｔｈｅｓａｍｅａｓｔｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎｔｒｅｎｄｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｉｎｔｈｅｃｌｅａｒａｎｃｅ．Ｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｃｌｅａｒａｎｃｅｓｉｚｅ，ｔｈｅｌｅａｋａｇｅｏｆｔｈｅｂｌａｄｅｔｉｐａｌｓｏｉｎｃｒｅａｓｅｓ，ｗｈｉｃｈｌｅａｄｓｔｏｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｅｎｅｒｇｙｌｏｓｓｏｆｔｈｅｐｕｍｐ．Ｉｔｉｓｆｏｕｎｄｂｙｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｔｈａｔｔｈｅｃｌｅａｒａｎｃｅｓｉｚｅｉｓｔｈｅｍａｉｎｆａｃｔｏｒａｆｆｅｃｔｉｎｇｔｈｅｌｅａｋａｇｅ．Ｕｎｄｅｒｔｈｅｐａｒｔ ｌｏａｄｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｔｈｅｒｏｔａｔｉｏｎｉｎｔｅｎｓｉｔｙｏｆｔｈｅｌｅａｋａｇｅｖｏｒｔｅｘｆｏｒｍｅｄｂｙｔｈｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｂｌａｄｅｔｉｐｌｅａｋａｇｅｆｌｏｗａｎｄｍａｉｎｆｌｏｗｇｒａｄｕａｌｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｂｌａｄｅｔｉｐｃｌｅａｒａｎｃｅ．Ｐａｒｔｏｆｌｅａ ｋａｇｅｆｌｏｗｅｎｔｅｒｓｔｈｅｐａｓｓａｇｅｏｆａｄｊａｃｅｎｔｂｌａｄｅｓ，ｌｅａｄｉｎｇｔｏｆｌｏｗｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ．Ａｓａｒｅｓｕｌｔ，ｔｈｅｅｎｅｒｇｙｌｏｓｓａｎｄｆｌｏｗｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｐｕｍｐｓｈｏｗａｎｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｒｅｎｄｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｃｌｅａｒａｎｃｅｓｉｚｅ．Ｗｉｔｈｔｈｅｉｎ ｃｒｅａｓｅｏｆｆｌｏｗｒａｔｅ，ｔｈｅｒｏｔａｔｉｏｎｉｎｔｅｎｓｉｔｙｏｆｔｉｐｌｅａｋａｇｅｖｏｒｔｅｘｇｒａｄｕａｌｌｙｄｅｃｒｅａｓｅｓａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｌｅａｒａｎｃｅｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｉｘｅｄ ｆｌｏｗｐｕｍｐ；ｂｌａｄｅｔｉｐｃｌｅａｒａｎｃｅ；ｔｉｐｌｅａｋａｇｅｖｏｒｔｅｘ；ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ；ａｘｉａｌｖｅｌｏｃｉｔｙ 斜流泵因其扬程高、流量大、高效范围广的优点，而被广泛用于农业灌溉、大型调水工程、喷水推进以及城市给排水等领域［１－３］．由于斜流泵的叶轮轮缘与转轮室之间不可避免地存在间隙，工作面与背面压差造成叶顶泄漏流产生．叶顶泄漏流不仅导致泄漏损失，而且泄漏流与主流卷吸形成的叶顶泄漏涡会堵塞流道，诱导水力振荡，影响泵的稳定运行［４］．目前，国内外学者通过数值模拟和试验对斜流泵叶顶泄漏流进行了深入研究．ＧＯＴＯ等［５－７］研究叶顶间隙对叶轮内泄漏流与二次流的相互作用，发现无盖板时流量－扬程曲线出现“驼峰”的临界流量更小，且“驼峰”主要由叶轮内二次流造成．同时，叶顶泄漏流与二次流的干涉作用可削弱叶轮出口的尾迹射流强度，抑制叶片吸力面上的流动分离现象．ＦＵＮＡＫＯＳＨＩ等［８］采用皮托管与压力测量装置揭示斜流泵内流场的非稳态流动特性，发现叶顶泄漏流在叶片通道内与主流卷吸导致叶顶泄漏涡，而叶片进口容易因流动分离而形成分离涡：此为泵内流动失稳的２个主要因素．不少学者基于不同湍流模型研究间隙的存在对泵性能的影响，发现泵性能随着叶顶间隙的增大而明显下降［９－１１］；叶轮出口的轴面速度由于受到叶顶泄漏涡的影响而出现强烈波动［１２－１３］．文中基于ＳＳＴｋ－ω湍流模型，分析不同叶顶间隙下泵内流动的失稳特征，揭示运行工况、间隙尺寸对间隙内压差、泄漏量以及生成泄漏涡强度的影响，进而探讨间隙流动对叶轮进口流场的影响，掌握叶顶泄漏导致斜流泵性能下降及流动失稳机理，为寻求斜流泵叶顶间隙流动主动控制方法提供指导．１ 斜流泵模型与数值模拟设置１．１ 斜流泵模型参数图１为所采用斜流泵的三维结构示意图．斜流泵的基本参数如下：比转数ｎｓ＝８２９，设计流量Ｑｏｐｔ＝４５５ ８２ｍ３／ｈ，转速ｎ＝１４５０ｒ／ｍｉｎ，叶轮叶片数Ｚ１＝４，叶轮进口直径Ｄ１＝１８０．９ｍｍ，叶轮出口直径Ｄ２＝２１５．８ｍｍ，导叶叶片数Ｚ２＝５，进口管直径Ｄ０＝２００．０ｍｍ，出口管直径Ｄ３＝２５０．０ｍｍ．图１ 斜流泵计算域模型Ｆｉｇ．１ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｍｏｄｅｌｏｆｍｉｘｅｄ ｆｌｏｗｐｕｍｐ１．２ 网格划分文中采用六面体结构化网格对模型泵计算域进行网格划分，包括进口段、叶轮、导叶和出口段．叶轮水体采用Ｊ／Ｏ型拓扑，导叶水体采用Ｈ／Ｏ型拓扑．为准确模拟间隙流动，对叶片边界层和叶顶进行加密．根据间隙尺寸，分别在间隙内布置２５～４０个节点．图２为网格无关性验证结果，图中Ｑ为流量；Ｈ为扬程；方案Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３分别对应的网格数为５０５．６万，８１０．１万，９６３．８万．从图２中可以看到，Ｈ２，Ｈ３对应的扬程曲线吻合度较高；综合考虑数值模拟的精确性与高效性，确定采用方案Ｈ２，其网格拓扑如图３所示．各部件水体网格数为进口段１１５．６万、叶轮４１９．６万、导叶１８０．８万、出口段９４．３万．H1H2H3图２ 网格无关性验证结果Ｆｉｇ．２ Ｒｅｓｕｌｔｏｆｇｒｉｄｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅｖａｌｉｄａｔｉｏｎ７５８图３ 计算域模型网格图Ｆｉｇ．３ Ｍｅｓｈｏｆｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｄｏｍａｉｎｓ１．３ 湍流模型与数值计算文中基于ＳＳＴｋ－ω湍流模型，对叶顶间隙流动进行数值模拟，其中ｋ为湍动能，输运方程为ρ （ｋ） ｔ＋ρ ｘｊ（Ｕｊｋ）＝ ｘｊμ＋μｔσｋ()ｋ ｘｊ[]＋Ｐｋ－β′ρｋω；（１）ω为湍流耗散率，方程为 （ρω） ｔ＋ ｘｊ（ρＵｊω）＝ ｘｊμ＋μｔσω()ω ｘｊ[]＋αωｋＰｋ－βρω２＋２（１－Ｆ１）ρ１σω２ω ｋ ｘｊ ω ｘｊ，（２）式中：Ｕｊ为向量速度，ｍ／ｓ；Ｐｋ为湍流生成速率；μｔ为湍流黏度，ｍ２／ｓ；１．４ 边界条件设置文中边界条件采用速度进口、自由出流出口，流动在泵出口处已得到充分发展．叶轮转速ｎ＝１４５０ｒ／ｍｉｎ，转子定子动静交界面为ＦｒｏｚｅｎＲｏｔｏｒ，各过流部件壁面采用光滑无滑移壁面，计算时收敛精度为１０－５．２ 试验设备与方法２．１ 试验设备文中外特性试验在江苏大学不锈钢斜流泵闭式试验台上进行．图４为试验台系统，包括测试泵段、增压泵、涡轮流量计、储水罐、电动机、扭矩仪等．图４ 试验台系统图Ｆｉｇ．４ Ｔｅｓｔｓｙｓｔｅｍ２．２ 外特性试验结果图５为模型泵重复性试验结果，从图中可以看出，多次重复外特性试验的曲线吻合度良好．０．６Ｑｏｐｔ～０．７Ｑｏｐｔ工况下的效率曲线存在相对明显的偏差，但在合理误差范围内，因此试验具有良好的可靠性．该泵的设计流量Ｑｏｐｔ＝４５５．８２ｍ３／ｈ，最高效率点的流量为０．９Ｑｏｐｔ，表明该泵偏小流量工况运行，此时最高效率为７５．６８％．图５ 模型泵重复外特性试验结果Ｆｉｇ．５ Ｒｅｐｅｔｉｔｉｖｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓ图６为叶顶间隙ｄ１＝０．２５ｍｍ时数值模拟与试验结果的外特性曲线．从图６中可以看到，扬程和效率的数值模拟结果略小于试验值．扬程曲线的最大误差出现在０．４Ｑｏｐｔ，误差为４．０％．随着流量的增大，扬程曲线的误差减小；效率曲线的误差先增大后减小，最大误差２．５％，因此文中数值模拟具有良好的预测精度．图６ 数值与试验外特性结果对比Ｆｉｇ．６ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｂｅｔｗｅｅｎｈｙｄｒａｕｌｉｃｒｅｓｕｌｔｓｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ３ 不同叶顶间隙的斜流泵数值分析３．１ 不同叶顶间隙下外特性对比图７为不同叶顶间隙下模型泵的外特性曲线．从图７ａ中可以看出，各间隙下泵的扬程随着流量的增大呈下降趋势．当ｄ１＝０．２５ｍｍ时，扬程曲线在０．５Ｑｏｐｔ～０．６Ｑｏｐｔ工况时下降趋势减缓．由于叶顶间隙的增大，泄漏量及泄漏损失增大，泵的扬程和效率均降低．此外，叶顶泄漏流与主流卷吸形成的叶顶泄７５９漏涡也会引起流动失稳，增加流动损失，从而导致泵的性能降低［１４－１６］．大流量工况下，叶顶间隙对泵性能的影响减弱，在１．２Ｑｏｐｔ工况时各间隙下的扬程几乎相同．流量增大后，效率曲线先上升后下降．图７ｂ显示最优工况点在０．９Ｑｏｐｔ附近，与试验结果一致，即随着间隙的增大，泵的效率降低．图７ 不同叶顶间隙下模型泵的外特性曲线Ｆｉｇ．７ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｕｒｖｅｓｏｆｐｕｍｐｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｉｐｃｌｅａｒａｎｃｅｓ ３．２ 叶顶间隙区域压差分析图８为ｄ１＝０．２５，１．００，２．００ｍｍ时，在０．８Ｑｏｐｔ工况下间隙区域工作面和吸力面的延伸面的压差云图，图中ｐ 为压差，ｐ＝ｐ１－ｐ２，其中ｐ１，ｐ２分别为工作面和吸力面压力，ｋＰａ；ｄ为径向位置；Ｌ为弦长系数，有Ｌ＝ｌＬ，（３）式中：ｌ为到叶片进口的弦长距离，ｍｍ；Ｌ为叶片的弦长，ｍｍ．从图８中可以看到，０．８Ｑｏｐｔ工况下，间隙区域内在叶片工作面与背面的径向延伸面上，压差在叶弦方向上呈现先增大后减小的趋势．在径向上，压差ｐ 随着ｄ的增大而增大．当ｄ１＝０．２５ｍｍ时，在０．１０＜Ｌ ＜０．７０范围内压差较大，其中０．２０＜Ｌ ＜０．６０时压差最大．随着叶顶间隙的增大，ｐ 值较大的面积有所减小．但ｄ１＝１．００，２．００ｍｍ时，弦长系数Ｌ 的范围分别为０．１５＜Ｌ ＜０．６５，０．４０＜Ｌ ＜０．６０．同时，图８中黄色区域在ｄ方向上范围也逐渐减小．当ｄ１＝２．００ｍｍ时，压差较大区域沿着叶弦向后偏移．由此可见，驱动泄漏的压差主要集中于间隙顶部，当叶顶间隙增大时，泄漏涡起始点沿叶弦向后迁移．图８ ０．８Ｑｏｐｔ下间隙内叶片延伸面压差云图Ｆｉｇ．８ Ｐｒｅｓｓｕｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｏｆｅｘｔｅｎｄｉｎｇｂｌａｄｅｓｕｒｆａｃｅｉｎｔｉｐｃｌｅａｒａｎｃｅａｔ０．８Ｑｏｐｔ３．３ 不同叶顶间隙下叶顶泄漏量分析在压差驱动下形成叶顶泄漏流，导致泄漏损失［１７－１９］．尤其在小流量工况下，由于泄漏角度较大，常会影响相邻叶片进口处流场［２０］．文中通过分析不同间隙下叶顶泄漏量，研究泄漏流强度对流动损失的影响．叶顶泄漏量Ｑ１为Ｑ１＝∫ＳｖｉｄＳ，（４）式中：ｖｉ为泄漏流通过特征平面的法向速度，ｍ／ｓ．单位面积泄漏量Ｑ２为Ｑ２＝Ｑ１Ａ，（５）式中：Ａ为特征平面面积，ｍ２．特征平面如图９所示，文中选取Ⅰ，Ⅱ， (Ⅶ)个特征平面研究其泄漏量．特征平面Ⅰ与平面Ｃ的夹角β＝５°，Ⅱ—Ⅶ与平面Ｃ的夹角分别为１０°，２０°，３０°，４０°，５０°，６０°．图１０为３种叶顶间隙在不同工况下的叶顶泄漏量曲线．从图１０ａ中可以看到，０．６Ｑｏｐｔ工况时各间隙下的泄漏量先增大后减小，主要原因是特征平面的面积在叶弦方向先增大后减小，同时间隙内的压差也先增大后减小，从而叶顶中部区域的泄漏量最７６０大．ｄ１＝０．２５ｍｍ间隙叶片中部间隙区域内压差高于ｄ１＝１．００，２．００ｍｍ的；而此间隙下的泄漏量则远低于ｄ１＝１．００，２．００ｍｍ的泄漏量，说明间隙的减小可有效抑制叶顶泄漏．０．８Ｑｏｐｔ，１．０Ｑｏｐｔ工况下，随着间隙的增大，叶顶泄漏量波动较大；ｄ１＝２．００ｍｍ时各特征平面上泄漏量变化更加明显，尤其是Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ这３个特征平面．图９ 特征平面位置Ｆｉｇ．９ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｓｏｆｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｕｒｆａｃｅｓ３．４ 不同间隙叶顶泄漏流旋转强度分析图１１为０．６Ｑｏｐｔ工况时不同叶顶间隙下叶顶泄漏涡及其旋涡强度Ｖｓ云图．当ｄ１＝０．２５ｍｍ时，叶片Ａ的叶顶泄漏流与通道内主流卷吸形成叶顶泄漏涡，其流经各截面时强度逐渐减弱．此时，部分泄漏流进入叶片Ｂ流道，在叶片Ｂ进口处产生扰动，诱导流动分离．当ｄ１＝１．００ｍｍ时，叶顶泄漏涡在叶片Ａ进口处形成，同时叶片通道中的泄漏流与主流干涉更加明显，进入叶片Ｂ进口的泄漏流对通道进口处流场产生强烈干扰．此时，叶片Ａ通道内泄漏涡强度明显高于小间隙时，从而流动损失增加，且对叶轮内流场稳定性产生较大干扰．当ｄ１＝２．００ｍｍ时，叶片Ａ的叶顶泄漏流特征与ｄ１＝１．００ｍｍ时相似，但此时叶顶泄漏量与泄漏涡强度有所增加，且在叶片Ｂ流道内产生涡流．图１０ 不同工况下各间隙泄漏量Ｆｉｇ．１０ Ｌｅａｋａｇｅｆｌｏｗｒａｔｅｏｆｅａｃｈｔｉｐｃｌｅａｒａｎｃｅａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｌｏｗｒａｔｅｓ图１１ ０．６Ｑｏｐｔ工况下不同间隙尺寸的泄漏涡强度Ｆｉｇ．１１ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙｏｆｔｉｐｌｅａｋａｇｅｖｏｒｔｅｘｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｌｅａｒａｎｃｅｓｉｚｅｓａｔ０．６Ｑｏｐｔ３．５ 不同间隙尺寸下叶轮进口处轴面速度分布图１２，１３分别为０．４Ｑｏｐｔ，０．８Ｑｏｐｔ工况下叶片Ｂ进口处的轴面速度云图，图中θ为从叶片Ａ进口边顺时针旋转的弧度，其中叶片Ｂ进口对应于θ＝２．１ｒａｄ；ｖｍ为轴面速度，当ｖｍ＞０时则有旋涡或回流存在；Ｒ 为径向系数，定义为Ｒ＝ｒ－ｒｈｒ１－ｒｈ，（６）式中：ｒ为任一点处半径，ｍｍ；ｒ１为轮缘半径，ｍｍ；ｒｈ为轮毂半径，ｍｍ．在０．４Ｑｏｐｔ工况下，ｄ１＝０ｍｍ时由于叶片吸力面进口处发生流动分离，叶轮进口轮缘处出现小面积回流．当ｄ１＝０．２５ｍｍ时，回流区面积与轴面速度有所减小；当ｄ１＝１．００，２．００ｍｍ时，回流区面积与轴面速度较ｄ１＝０ｍｍ时明显增大，且ｄ１＝１．００ｍｍ时的轴面速度略高于ｄ１＝２．００ｍｍ时．因ｄ１＝２．００ｍｍ时叶顶泄漏量迅速增加，其对叶片Ｂ进口边的轴面速度产生影响．７６１在０．８Ｑｏｐｔ工况下，由于叶轮进口冲角减小，在吸力面进口处发生的流动分离减弱，各间隙下均未发现明显回流．同时，叶顶泄漏涡与叶片夹角减小，其对叶片Ｂ流道影响也大大减弱．不同叶顶间隙下叶轮进口轴面速度呈对称分布，随着间隙的增大，轴面速度有所减小．不同于０．４Ｑｏｐｔ工况，此时轴面速度随着径向系数的增加而降低，较小的轴面速度主要分布于叶片Ｂ顶部两侧．图１２ ０．４Ｑｏｐｔ工况下叶片Ｂ进口处轴面速度云图Ｆｉｇ．１２ ＭｅｒｉｄｉｏｎａｌｖｅｌｏｃｉｔｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｔｂｌａｄｅＢｉｎｌｅｔａｔ０．４Ｑｏｐｔ图１３ ０．８Ｑｏｐｔ工况下叶片Ｂ进口处轴面速度云图Ｆｉｇ．１３ ＭｅｒｉｄｉｏｎａｌｖｅｌｏｃｉｔｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｔｂｌａｄｅＢｉｎｌｅｔａｔ０．８Ｑｏｐｔ４ 结 论文中基于ＳＳＴｋ－ω湍流模型研究了不同间隙尺寸对斜流泵叶顶泄漏流的影响，并结合外特性试验验证结果的准确性．经分析讨论，得到以下结论：１）重复性试验结果吻合度较高，其偏差在合理范围内．数值计算与试验结果变化趋势一致，预测值略低于试验值．随着流量的增大，二者误差逐渐减小；在０．４Ｑｏｐｔ工况下扬程的误差最大（４．０％），但在合理范围内，验证了模拟结果的可靠性．２）不同流量工况下，斜流泵泄漏量从叶轮进口到出口呈现出先增大后减小的趋势，与间隙区域内压差变化趋势相同；从叶片进口随轮缘弦长的增大，压差先增大后减小．叶顶泄漏量随着间隙的增大而增加，导致泵的泄漏损失也逐渐增大．３）小流量工况下，由于进口冲角增大，在叶片吸力面进口处更易发生流动分离．随着叶顶间隙的增大，叶顶泄漏流与主流卷吸形成的泄漏涡强度也逐渐增大．部分泄漏流进入下一流道，导致泵的流动失稳．因而，随着间隙的增大，泵的扬程和效率逐渐降低．在斜流泵设计应用中，适当减小叶顶间隙能有效削弱叶顶泄漏涡强度，提高泵的运行稳定性．参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）［１］ 关醒凡．现代泵技术手册［Ｍ］．北京：中国宇航出版社，１９９５．［２］ 关醒凡．轴流泵与斜流泵［Ｍ］．北京：中国宇航出版社，２００９．［３］ 马希金，张化川，惠伟安，等．核电站三级循环混流泵的三维湍流数值模拟［Ｊ］．兰州理工大学学报，２００９，３５（３）：３９－４２．ＭＡＸｉｊｉｎ，ＺＨＡＮＧＨｕａｃｈｕａｎ，ＨＵＩＷｅｉａｎ，ｅｔａｌ．Ｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｔｕｒｂｕｌｅｎｔｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｒｅｅｓｔａｇｅ７６２ｍｉｘｅｄｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎｐｕｍｐｉｎｎｕｃｌｅａｒｐｏｗｅｒｓｔａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＬａｎｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００９，３５（３）：３９－４２．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［４］ 施卫东，张悦，肖宇，等．泵水力设计方法的研究现状［Ｊ］．南通大学学报（自然科学版），２０１９，１８（４）：１－７．ＳＨＩＷｅｉｄｏｎｇ，ＺＨＡＮＧＹｕｅ，ＸＩＡＯＹｕ，ｅｔａｌ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｕｓｏｆｐｕｍｐｈｙｄｒａｕｌｉｃｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮａｎｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ｎａｔｕｒａｌｓｃｉｅｎｃｅｅｄｉｔｉｏｎ），２０１９，１８（４）：１－７．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［５］ ＧＯＴＯＡ．Ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎｏｆｍｉｘｅｄ ｆｌｏｗｐｕｍｐｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｓｕｒｇｅｂｙｔｈｅａｃｔｉｖｅａｌｔｅｒａｔｉｏｎｏｆｉｍｐｅｌｌｅｒｓｅｃｏｎｄａｒｙｆｌｏｗｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆｔｕｒｂｏｍａｃｈｉｎｅｒｙ，１９９４，１１６（４）：６２１－６２８．［６］ ＧＯＴＯＡ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｔｉｐｌｅａｋａｇｅｆｌｏｗｏｎｐａｒｔ ｌｏａｄｐｅｒ ｆｏｒｍａｎｃｅｏｆａｍｉｘｅｄ ｆｌｏｗｐｕｍｐｉｍｐｅｌｌｅｒ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆｔｕｒｂｏｍａｃｈｉｎｅｒｙ，１９９２，１１４（２）：３８３－３９１．［７］ ＧＯＴＯＡ．Ｓｔｕｄｙｏｆｉｎｔｅｒｎａｌｆｌｏｗｓｉｎａｍｉｘｅｄ ｆｌｏｗｐｕｍｐｉｍｐｅｌｌｅｒａｔｖａｒｉｏｕｓｔｉｐｃｌｅａｒａｎｃｅｓｕｓｉｎｇｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｖｉｓｃｏｕｓｆｌｏｗｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆｔｕｒｂｏｍａｃｈｉｎｅｒｙ，１９９２，１１４（２）：３７３－３８２．［８］ ＦＵＮＡＫＯＳＨＩＨ，ＴＳＵＫＡＭＯＴＯＨ，ＭＩＹＡＺＡＫＩＫ，ｅｔａｌ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｎｕｎｓｔａｂｌｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｍｉｘｅｄ ｆｌｏｗｐｕｍｐａｔｌｏｗｆｌｏｗ ｒａｔｅｓ［Ｃ］／／ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＡＳＭＥ／ＪＳＭＥ２００３４ｔｈＪｏｉｎｔＦｌｕｉｄｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２００３．［９］ 施卫东，张华，陈斌，等．不同叶顶间隙下的轴流泵内部流场数值计算［Ｊ］．排灌机械工程学报，２０１０，２８（５）：３７４－３７７．ＳＨＩＷｅｉｄｏｎｇ，ＺＨＡＮＧＨｕａ，ＣＨＥＮＢｉｎ，ｅｔａｌ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｌｆｌｏｗｆｉｅｌｄｏｆａｘｉａｌｆｌｏｗｐｕｍｐｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｉｐｃｌｅａｒａｎｃｅ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆｄｒａｉｎａｇｅａｎｄｉｒｒｉｇａｔｉｏｎａｎｄｍａｃｈｉｎｅｒｙｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１０，２８（５）：３７４－３７７．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［１０］ 施卫东，邵佩佩，张德胜，等．轴流泵叶顶泄漏涡流体动力学特性的数值模拟［Ｊ］．农业机械学报，２０１４，４５（３）：７２－７６．ＳＨＩＷｅｉｄｏｎｇ，ＳＨＡＯＰｅｉｐｅｉ，ＺＨＡＮＧＤｅｓｈｅｎｇ，ｅｔａｌ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｉｐｌｅａｋａｇｅｖｏｒｔｅｘｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｉｎａｘｉａｌｆｌｏｗｐｕｍｐ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅＣＳＡＭ，２０１４，４５（３）：７２－７６．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［１１］ ＭＯＥＮＧＣＨ．Ａｌａｒｇｅ ｅｄｄｙ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｆｏｒｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆｐｌａｎｅｔａｒｙｂｏｕｎｄａｒｙ ｌａｙｅｒｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｓｃｉｅｎｃｅｓ，１９８４，４１（１３）：２０５２－２０６２． ［１２］ 张兆顺．湍流大涡数值模拟的理论和应用［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００８．［１３］ 王玲玲．大涡模拟理论及其应用综述［Ｊ］．河海大学学报（自然科学版），２００４，３２（３）：２６１－２６５．ＷＡＮＧＬｉｎｇｌｉｎｇ．Ｌａｒｇｅｅｄｄｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｈｅｏｒｙａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｏｈａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ｎａｔｕｒａｌｓｃｉｅｎｃｅｓ），２００４，３２（３）：２６１－２６５．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［１４］ ＳＭＡＧＯＲＩＮＳＫＹＪ．Ｇｅｎｅｒａｌｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｗｉｔｈｔｈｅｐｒｉｍｉｔｉｖｅｅｑｕａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｍｏｎｔｈｌｙｗｅａｔｈｅｒｒｅｖｉｅｗ，１９６３，９１（３）：９９－１６４．［１５］ 周佩剑，王福军，姚志峰．旋转失速条件下离心泵叶轮压力脉动特性研究［Ｊ］．农业机械学报，２０１５，４６（１０）：５６－６１．ＺＨＯＵＰｅｉｊｉａｎ，ＷＡＮＧＦｕｊｕｎ，ＹＡＯＺｈｉｆｅｎｇ．Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｉｎｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌｐｕｍｐｉｍｐｅｌｌｅｒｕｎｄｅｒｒｏｔａｔｉｎｇｓｔａｌｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅＣＳＡＭ，２０１５，４６（１０）：５６－６１．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［１６］ 周佩剑，王福军，姚志峰．离心泵叶轮旋转失速团特性分析［Ｊ］．水利学报，２０１５，４６（９）：１１２８－１１３４．ＺＨＯＵＰｅｉｊｉａｎ，ＷＡＮＧＦｕｊｕｎ，ＹＡＯＺｈｉｆｅｎｇ．Ａｎａｌｙｓｉｓｏｎｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｒｏｔａｔｉｎｇｓｔａｌｌｍａｓｓｏｆｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌｐｕｍｐｉｍｐｅｌｌｅｒ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１５，４６（９）：１１２８－１１３４．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［１７］ 李栋，焦予秦，ＭＥＮ′ＳＨＯＶＩ，等．Ｄｅｔａｃｈｅｄ－ＥｄｄｙＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ方法模拟不同类型翼型的失速特性［Ｊ］．航空学报，２００５，２６（４）：４０６－４１０．ＬＩＤｏｎｇ，ＪＩＡＯＹｕｑｉｎ，ＭＥＮ′ＳＨＯＶＩ，ｅｔａｌ．Ｄｅｔａｃｈｅｄｅｄｄｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｏｒａｉｒｆｏｉｌｓｔａｌｌ［Ｊ］．Ａｃｔａａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｅｔａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃａｓｉｎｉｃａ，２００５，２６（４）：４０６－４１０．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［１８］ ＫＲＡＵＳＥＮ，Ｚ?ＨＲＩＮＧＥＲＫ，ＰＡＰＥ．Ｔｉｍｅ ｒｅｓｏｌｖｅｄｐａｒｔｉｃｌｅｉｍａｇｉｎｇｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙｆｏｒｔｈｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆｒｏｔａｔｉｎｇｓｔａｌｌｉｎａｒａｄｉａｌｐｕｍｐ［Ｊ］．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｉｎｆｌｕｉｄｓ，２００５，３９（２）：１９２－２０１．［１９］ 张华．轴流泵内部流场数值计算及实验研究［Ｄ］．镇江：江苏大学，２０１２．［２０］ 安一超，张人会，李维，等．轻型化工渣浆泵叶轮轴向间隙泄漏流及磨损特性分析［Ｊ］．流体机械，２０２０，４８（１）：２１－２６．ＡＮＹｉｃｈａｏ，ＺＨＡＮＧＲｅｎｈｕｉ，ＬＩＷｅｉ，ｅｔａｌ．Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆａｘｉａｌｃｌｅａｒａｎｃｅｌｅａｋａｇｅｆｌｏｗａｎｄｉｔｓｅｒｏｓｉｏｎｉｎｌｉｇｈｔｃｈｅｍｉｃａｌｓｌｕｒｒｙｐｕｍｐ［Ｊ］．Ｆｌｕｉｄｍａｃｈｉｎｅｒｙ，２０２０，４８（１）：２１－２６．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）（责任编辑 顾艳）７６３。
析潜水轴流泵维修成本分析
（ ， Ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ Ｃ ｅ ｎ ｔ ｅ ｒ ｏ ｆ Ｆ ｌ ｕ ｉ ｄ Ｍ ａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｒ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｙ ｇ ｇ ｇ ｙ ， ） Ｊ ｉ ａ ｎ ｓ ｕ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ Ｚ ｈ ｅ ｎ ｉ ａ ｎ ２ １ ２ ０ １ ３， Ｊ ｉ ａ ｎ ｓ ｕ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ｇ ｙ ｊ ｇ ｇ
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Ｖ ｏ ｌ ． ４ １Ｎ ｏ ． ４ ｒ ． ０ １ ３ Ａ ２ ｐ
不同叶顶间隙对轴流泵空化性能及流场的影响
施卫东 李通通 张德胜 李 辉
（ ） 江苏大学流体机械工程技术研究中心 ，江苏 镇江 ２ １ ２ ０ １ ３
摘要 通过对南水北调工程等比例缩放模型泵进行全流道数值分析和试验研究 ， 对模型泵在 ３ 个典型流量工 况下的空化计算进行适应性研究 ， 探究叶轮区域的空化发展特性 ， 并对不同叶顶间隙δ（ ０． ５， １． ５ 和 ３． ０ ｍｍ） 下的轴流泵空化特性进行对比分析 ， 比较叶顶间隙大小对轴流泵空化性能和流场的影响 ． 结果表明 ： 随着空化 数的降低 ， 空化首先在叶片进口边间隙区附近发生 ， 逐渐往叶片出口边扩大 ， 同时沿径向往叶片背面扩大最终 引起叶片出口靠近叶顶间隙 １ 随 着 叶 顶 间 隙 的 增 大， 模型泵的 覆盖整个叶片 ， ０％ 区 域 的 轴 向 速 度 逐 渐 降 低 ； 临界空化数增大 ， 叶片轮缘处空化逐渐严重且由叶片前端 往 尾 部 移 动 ， 叶片出口轴向速度低速区主要集中在 揭示了这一过程不同叶顶间隙轴流泵内部空化特性 ． 靠近间隙 １ ０％ 区域处 ， 关键词 轴流泵 ；间隙空化 ；叶顶间隙 ；流场结构 ；空化特性 ；数值模拟 （ ） 中图分类号 ＴＨ ３ １ １ 文献标志码 Ａ 文章编号 １ ６ ７ １ ４ ５ １ ２ ２ ０ １ ３ ０ ４ ０ ０ ２ １ ０ ５ － － －
叶顶间隙对离心泵气液两相流特性及空化特性影响的研究
叶顶间隙对离心泵气液两相流特性及空化特性影响的研究叶顶间隙对离心泵气液两相流特性及空化特性影响的研究引言：离心泵是一种常见的流体输送设备，广泛应用于工业生产中。
在某些特定的工况下，离心泵会出现气液两相流现象，而这种现象会对泵的性能造成一定的影响。
同时，泵的叶顶间隙也是影响离心泵性能的重要因素之一。
因此，对离心泵叶顶间隙对气液两相流特性及空化特性的影响进行深入研究，对于提高离心泵的性能、延长其使用寿命具有重要意义。
一、离心泵气液两相流特性的影响1.1 气液两相流现象当离心泵在工作过程中，由于工况变化或介质性质改变，会使得泵入口处出现气泡，形成气液两相流。
气液两相流相对于单相流而言，具有更为复杂的特性，其中包括气液混合比例、气泡尺寸及分布、气泡运动速度等参数都会对泵的性能产生影响。
1.2 气液两相流对泵性能的影响气液两相流的存在会引发离心泵的一系列问题，如泵流量下降、扬程损失、振动增加等。
气液两相流在泵内会形成气泡聚集，增加了泵的摩擦阻力和流通阻力，从而降低了泵的流量。
同时，气液两相流还会增加泵腔内部的动态压力，并增加泵的振动，使得泵的工作状况不稳定。
二、离心泵叶顶间隙对气液两相流特性的影响2.1 叶顶间隙的定义及作用离心泵叶顶间隙指的是泵叶片与泵腔壁的距离，它的大小会影响泵的性能。
当叶顶间隙过大时，容易引起回流现象，产生涡流和较大的漏损；而叶顶间隙过小时，会使得泵内部难以正常流通，增加泵的摩擦阻力。
因此，合理控制叶顶间隙对于离心泵的稳定运行十分重要。
2.2 叶顶间隙对气液两相流特性的影响叶顶间隙的大小会直接影响气液两相流现象的发生与发展。
较大的叶顶间隙能够提供更大的泵腔容积，能够更好地容纳气泡的产生与聚集，减小气液两相流对离心泵性能的影响。
而较小的叶顶间隙则会使得气泡难以正常流通，增加气液两相流对泵的阻力，从而影响泵的流量和扬程。
2.3 叶顶间隙对空化特性的影响叶顶间隙的大小还会影响泵的空化特性。
叶顶形状对轴流泵空化性能的影响_施卫东吴苏青张德胜姚捷程成
农 引 言
业
机
械
学
1.4
报
出口
d2
在轴流泵中，叶片轮缘与端壁的相对运动以及叶 顶间隙前后压差作用产生了叶顶泄漏流，其与叶片吸 力面的主流相交形成叶顶泄漏涡（Tip Leakage Vortex， TLV） 。泄漏涡是导致轴流泵叶顶空化的重要原因[1-2]。 1954 年，Rain[3]建立了间隙流动模型，该模型可估算 出泄漏流在吸力面顶部出口的流速，并能分析由于泄 漏流引起的转轮效率变化，但不能计算流场的微观流 动结构。H Wu，Miorini R 等 [4-6]用丙烯酸材料做成全透 明泵段，碘化钠溶液作为工作介质，利用 PIV 技术清 晰地观测了叶片间隙区域的空化现象，发现了空化随 着泄漏流发展的变化规律。李忠[7-8]运用高速摄影研究 了某比转速轴流泵的间隙空化特性，捕捉到空化发生 位置和空泡团形态随空化程度变化的演变过程。吴光 焱， 杨敏官等[9]基于完整空化模型和混合流体两相流模 型，模拟了轴流泵叶轮内空化流动，并用高速摄像机 对叶轮内的空化流进行了拍摄，试验结果与数值模拟 结果得到较好的吻合。为了降低叶顶间隙空化，国内 外学者对涡轮叶栅的叶顶形状已有广泛的研究[10-11]， 轴流泵叶顶区流场的研究已取得了一定的研究进展 [12-14] ，而关于叶顶形状的研究却只有在透平机械中有 所涉及[15-20.]。 为了研究轴流泵内不同叶顶形状对间隙泄漏流和 空化性能的影响，本文以南水北调同台试验模型（编 号 TJ-ZL-02）的等比例缩放泵作为研究对象，以试验 结果验证为前提，通过数值计算的手段，分析比较 4 种方案叶顶形状下(平面叶顶、倒圆叶顶、斜切叶顶以 及倒圆斜切叶顶)轴流泵的泄漏涡特性和空化性能。
图 4 高速摄影试验台 Fig.4 High-speed photograph test a 补光灯 b 透明模型泵 c 速摄影机
叶顶间隙及导叶对轴流泵反转作液力透平性能的影响研究
叶顶间隙及导叶对轴流泵反转作液力透平性能的影响研究叶顶间隙及导叶对轴流泵反转作液力透平性能的影响研究引言：轴流泵作为一种常见的液力机械设备，广泛应用于工农业生产和城市供水系统中。
然而，在一些特定情况下，轴流泵可能会发生反转作用，使得原本应供液的泵变成液力透平，同时泵的性能会受到影响。
本文旨在研究叶顶间隙及导叶对轴流泵反转作液力透平性能的影响，并为轴流泵的设计和优化提供指导。
一、轴流泵的工作原理轴流泵是一种能够通过动能转化实现液体运输的机械设备。
它由叶轮、导叶和泵壳等组成。
当电动机带动叶轮旋转时，叶轮叶片将液体加速并转化成动能，使液体产生压力并沿轴向运动。
泵壳和导叶的作用是引导液体流动并改变其流动方向，从而提高泵的效率。
二、轴流泵反转作液力透平的原因在某些情况下，由于泵口处液体流动速度过高或系统回水压力过大，轴流泵叶轮受到反向作用力的影响会导致泵的反转。
此时，原本应供液的泵会变成流向与预期相反的液力透平，在透平状态下，轴流泵的性能会受到影响。
三、叶顶间隙对轴流泵反转作液力透平性能的影响叶顶间隙是指叶轮叶片顶部与泵壳之间的垂直距离。
研究发现，叶顶间隙的改变会对轴流泵的反转作液力透平性能产生显著影响。
较小的叶顶间隙会导致液体从叶顶溢出，减小透平过程中的液体能量损失，提高轴流泵的效率。
然而，过小的叶顶间隙容易引起叶轮与泵壳的接触，增加机械损耗并可能导致叶轮损坏。
因此，在轴流泵设计和优化过程中，需要综合考虑叶顶间隙的大小。
四、导叶对轴流泵反转作液力透平性能的影响导叶是调节液体流动方向和提高泵效率的重要组成部分。
研究表明，导叶的设计和布置对轴流泵的性能具有重要影响。
在轴流泵反转作液力透平时，导叶能够减小透平过程中的涡流损失，从而提高透平效率。
合理设计的导叶能够在没有压力损失的情况下获得最佳泵效。
五、优化轴流泵设计的建议为了优化轴流泵的设计并提高其反转作液力透平性能，以下几点建议值得注意：1. 合理选择叶顶间隙：在设计轴流泵时，需要综合考虑液体流动和机械损耗的平衡点，选择合适的叶顶间隙。
叶顶间隙对喷水推进轴流泵空化性能影响
⑥
２ ０ １ ６ Ｓ ｃ ｉ ． Ｔ ｅ ｃ ｈ ． Ｅ ｎ ｇ ｒ ｇ ．
叶 顶 间隙 对 喷 水推 进 轴 流 泵 空 化 性 能影 响
韩吉昂 李普 泽 钟兢 军
（ 大连海事大学轮机工程学院 ， 大连 １ １ ６ ０ ２ ６ ）
摘
要 采用标准 一 ｓ湍流模型和 Ｍｉ ｘ ｔ ｕ ｒ ｅ多相 流模 型对喷水推进 轴流 泵五种不 同叶顶 间隙下的流场 进行数 值模 拟； 并 对其
力 机械 的空 化特 性进 行数值 预 测都 表现 出 了较好 的 可 行 性 。 杨 琼 方 等 采 用 Ｓ ａ ｕ ｅ ｒ空 化 模 型 对
Ｎ Ｓ Ｒ Ｄ Ｃ ４ ３ ８ １桨 的叶背 和 叶面 片空 化初 生 、 梢 涡 空 化 初 生 和空化 斗 底 线 特 征 进 行 了模 拟 、 校验和分析 。
第 １ ６卷
第３ ３期
２ ０ １ ６年 １ １ 月
科
字
技
术
与
工
程
Ｖｏ ｌ ＿ １ ６ Ｎｏ ． ３ ３ ＮＯ Ｖ ．２ ０１ ６
１ ６ ７ １ — １ ８ １ ５ （ ２ ０ １ ６ ） ３ ３ — ０ １ ３ ０ — ０ ７
Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ａ ｎ ｄ Ｅ ｎ ｇ ｉ 。 当有 叶顶 间 隙存 在 时 ， 在 叶
片 正背 面压差 的作 用 下 ， 喷水 推 进 轴 流 泵 叶 轮 叶 顶 间隙 区存 在 泄漏 流动 ， 导致 泵能 量性 能下 降 ， 而泄 漏
流 涡核 处 的压力 较低 ， 易诱 导空 化发 生 ， 因此 对于 叶
＝
动 的发展 情 况 。张 德 胜 等 对 陆 用 轴 流 泵 动 叶 叶 顶 间隙流 动及 空化 特 性 分 析 进行 数 值 研 究 ， 基 于 完
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１ 模型
本研究选取了南水北调工程优秀轴流泵模型 为 原 型 泵 ，以 其 等 比 例 缩 放 模 型 泵 为 研 究 对 象 ．其 基 本设计参数：流量 Ｑ＝３９０ｍ３／ｈ，转速ｎ＝１ ４５０ ｒ／ｍｉｎ，名义 比 转 速 ｎｓ ＝７００，叶 轮 直 径 Ｄ ＝１９９ ｍｍ，轮毂比为 ０．４６８ １、叶轮叶片数为 ４ 枚、导 叶 叶片数为７枚，运 用 ＵＧ 软 件 并 基 于 模 型 水 力 图 及装配图对模型 泵 叶 轮、导 叶 以 及 其 他 过 流 部 件 进 行 三 维 实 体 建 模 ，装 配 如 图 １ 所 示 ．
３ 试验与结果分析
３．１ 轴 流 泵 空 化 性 能 试 验 及 预 测 轴流泵空化性能试验按照 ＧＢ／Ｔ３２１６—２００５
《回 转 动 力 泵 水 力 性 能 验 收 试 验 １ 级 和 ２ 级 》标 准 在江苏大学的水 泵 闭 式 试 验 台 上 进 行，试 验 装 置 如 图 ２ 所 示 ，主 要 由 稳 压 罐 、汽 蚀 罐 、真 空 泵 、进 出 口测 压 管、增 压 泵、电 磁 流 量 计、转 速 转 矩 仪 和 模
空化数σ＝２（ｐ０－ｐｖ）／（ρｗ２），径 向 系 数ｒ＊ ＝ ｒ／ｒ０，空化面积比 Ｓ＊ ＝Ｓ／Ｓ０，轴 向 速 度 系 数ｖ＊ ＝ ｖ／ｖ０，其 中：ｒ０ 为 轮 缘 半 径；ｐ０ 为 泵 进 口 压 力；ｐｖ 为 介 质 工 作 温 度 下 的 饱 和 蒸 汽 压 力 （３ ５７４Ｐａ）；ｗ 为叶片进口轮缘处的圆周 速 度；Ｖｓ 为 泵 段 进 口 速 度；ｒ为圆柱截面 半 径；Ｓ 为 半 径 为ｒ 圆 柱 截 面 的 空化面积；Ｓ０ 为半径为ｒ 圆柱截面的面积；ｖ 为 叶 片出口半径为ｒ 处 平 均 轴 向 速 度；ｖ０ 为 叶 片 出 口 截面平均轴向速度；ρ＝１ ０００ｋｇ／ｍ３，ｇ＝９．８ ｍ／ ｓ２．
图 １ 轴流泵三维实体装配图
２ 数值模拟
２．１ 网 格 划 分 运用 ＡＮＳＹＳ ＩＣＥＭ 软件对 叶 轮 与 导 叶 区 域
分别选用 Ｃ型与 Ｈ 型拓扑结构进行６面体网格 划分；对叶片近壁面选用 Ｏ 型 拓 扑 环 绕 并 进 行 局 部 加 密 ，叶 片 表 面Ｙ＋ 值 在 ０～８０ 之 间 ，平 均 值 为 ２６．４３，叶 轮 叶 顶 间 隙 区 设 置 ２０～３０ 层 网 格 ．
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｏ ｃａｒｒｙ ｏｕｔ ｔｈｅ ａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｐｕｍｐ ｕｎｄｅｒ ｔｈｒｅｅ ｔｙｐｉｃａｌ ｆｌｏｗ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｍｐｅｌｌｅｒ ａｒｅａ ｗａｓ ｅｘｐｌｏｒｅｄ， ａｎｄ ｔｈｅ ａｘｉａｌ ｆｌｏｗ ｐｕｍｐ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｉｐ ｃｌｅａｒａｎｃｅδ （０．５０，１．５０ａｎｄ ３．００ ｍｍ）ｗｅｒｅ ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｎ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ａｘｉａｌ ｆｌｏｗ ｐｕｍｐ ｆｏｒ ｔｈｅ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｔｉｐ ｃｌｅａｒａｎｃｅ ｗｅｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｍａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉ－ ｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｆｕｌｌ ｐａｓｓａｇｅ ｕｓｉｎｇ ｓｃａｌｉｎｇ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｐｕｍｐ ｏｆ ｓｏｕｔｈ－ｔｏ－ｎｏｒｔｈ ｗａｔｅｒ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｐｒｏｊｅｃｔ ｆｏｒ ｅｑｕａｌ ｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｏｃｃｕｒｓ ａｔ ｔｈｅ ｂｌａｄｅ ｉｎｌｅｔ ｅｄｇｅ ｃｌｏｓｅ ｔｏ ｔｈｅ ｔｉｐ ｃｌｅａｒ－ ａｎｃｅ ｆｉｒｓｔｌｙ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｎｕｍｂｅｒσ，ａｎｄ ｅｘｐａｎｄｓ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｔｏ ｔｈｅ ｏｕｔｌｅｔ ｅｄｇｅ ｏｆ ｂｌａｄｅ，ｍｅａｎｗｈｉｌｅ ｔｏ ｔｈｅ ｓｕｃｔｉｏｎ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ｂｌａｄｅ ａｌｏｎｇ ｒａｄｉａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｖｅｎｔｕａｌｌｙ ｏｃｃｕｐｉｅｓ ｔｈｅ ｅｎ－ ｔｉｒｅ ｓｕｃｔｉｏｎ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ｂｌａｄｅ，ｃａｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ａｘｉａｌ ｖｅｌｏｃｉｔｉｅｓ ｏｆ ｂｌａｄｅ ｏｕｔｌｅｔ ｅｄｇｅ ｃｌｏｓｅ ｔｏ １０％ ａｒｅａ ｏｆ ｔｉｐ ｃｌｅａｒａｎｃｅ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｇｒａｄｕａｌｌｙ．Ｔｈｅ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｍｏｄｅｌ ｐｕｍｐ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｉｐ ｃｌｅａｒａｎｃｅ．Ｔｈｅ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｄａｍａｇｅ ｏｆ ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｂｌａｄｅ ｒｉｍ ｂｅｃｏｍｅｓ ｓｅｒｉｏｕｓ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ａｎｄ ｍｏｖｅｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｆｒｏｎｔ ｔｏ ｔｈｅ ｔａｉｌ ｏｆ ｂｌａｄｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｉｐ ｃｌｅａｒａｎｃｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｌｏｗ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ａｒ－ ｅａｓ ｏｆ ａｘｉａｌ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｆｏｒ ｂｌａｄｅ ｏｕｔｌｅｔ ａｒｅ ｍａｉｎｌｙ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅｇｉｏｎ ｏｆ ｂｌａｄｅ ｎｅａｒ １０％ ｃｌｅａｒａｎｃｅ． Ｔｈｉｓ ｐｒｏｃｅｓｓ ｒｅｖｅａｌｓ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｉｏｒ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ａｘｉａｌ ｆｌｏｗ ｐｕｍｐ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｉｐ ｃｌｅａｒ－ ａｎｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ａｘｉａｌ－ｆｌｏｗ ｐｕｍｐ；ｌｅａｋａｇｅ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ；ｔｉｐ ｌｅａｋａｇｅ；ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃ－
Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｉｐ ｃｌｅａｒａｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ａｘｉａｌ ｆｌｏｗ ｐｕｍｐｓ
Ｓｈｉ Ｗｅｉｄｏｎｇ Ｌｉ Ｔｏｎｇｔｏｎｇ Ｚｈａｎｇ Ｄｅｓｈｅｎｇ Ｌｉ Ｈｕｉ
（Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｆｌｕｉｄ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｊｉａｎｇｓｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ ２１２０１３，Ｊ化性能及流场的影响
施卫东 李通通 张德胜 李 辉
（江苏大学流体机械工程技术研究中心，江苏 镇江 ２１２０１３）
摘 要 通 过 对 南 水 北 调 工 程 等 比 例 缩 放 模 型 泵 进 行 全 流 道 数 值 分 析 和 试 验 研 究 ，对 模 型 泵 在 ３ 个 典 型 流 量 工 况下的空化计算进行适应性研究，探究叶轮区域的空化发展特性，并对不同叶顶间隙δ（０．５，１．５ 和３．０ ｍｍ） 下 的 轴 流 泵 空 化 特 性 进 行 对 比 分 析 ，比 较 叶 顶 间 隙 大 小 对 轴 流 泵 空 化 性 能 和 流 场 的 影 响 ．结 果 表 明 ：随 着 空 化 数 的 降 低 ，空 化 首 先 在 叶 片 进 口 边 间 隙 区 附 近 发 生 ，逐 渐 往 叶 片 出 口 边 扩 大 ，同 时 沿 径 向 往 叶 片 背 面 扩 大 最 终 覆盖整个叶片，引起叶片出口靠近叶顶间隙１０％区 域 的 轴 向 速 度 逐 渐 降 低；随 着 叶 顶 间 隙 的 增 大，模 型 泵 的 临界空化数增大，叶片轮缘处空化逐渐严重且由叶片前端 往 尾 部 移 动，叶 片 出 口 轴 向 速 度 低 速 区 主 要 集 中 在 靠 近 间 隙 １０％ 区 域 处 ，揭 示 了 这 一 过 程 不 同 叶 顶 间 隙 轴 流 泵 内 部 空 化 特 性 ． 关 键 词 轴 流 泵 ；间 隙 空 化 ；叶 顶 间 隙 ；流 场 结 构 ；空 化 特 性 ；数 值 模 拟 中 图 分 类 号 ＴＨ３１１ 文 献 标 志 码 Ａ 文 章 编 号 １６７１－４５１２（２０１３）０４－００２１－０５
苏省科技成果转化专项资助项目 （ＢＡ２０１１１２６）；江苏省高校优势学科建设工程资助项目 （ＰＡＰＤ）．
· ２２ ·
华 中 科 技 大 学 学 报 （自 然 科 学 版）
第 ４１ 卷
轴流泵由于 扬 程 低、流 速 大 等 特 点 广 泛 应 用 于农业灌溉、城市给排水等工程中［１］．然而轴 流 泵 叶片叶顶与转轮室之间由于间隙的存在而引起泄 漏 流 的 出 现 ，泄 漏 流 由 于 流 速 相 对 较 大 ，常 常 引 起 间 隙 空 化 的 发 生 ，对 轴 流 泵 的 运 行 稳 定 性 、振 动 噪 声等都有重要的 影 响，因 此 轴 流 泵 内 部 叶 顶 间 隙 空 化 成 为 国 内 外 一 个 研 究 热 点 ．文 献 ［２－９］采 用 数 值模拟的方法较好地对不同叶顶间隙下的轴流泵 内 部 流 场 进 行 预 测 ；文 献 ［１０－１３］通 过 试 验 研 究 的 方法较好地对旋转机械内部间隙泄露空化的形成 以 及 发 展 过 程 进 行 捕 捉 和 测 量 ；文 献 ［１４－１５］通 过 对轴流泵内部空化流场进行研究提出轴流泵内部 空穴微团运动规律；文献［１６－１７］通过试验与 ＣＦＤ 数值模拟相对比，验 证 了 数 值 模 拟 技 术 对 工 程 应 用中的轴流泵汽蚀性能预测的可靠性．