（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 理學(xué)院，湖北省十堰市 442002）

0 引言

雙吸離心泵在大型調(diào)水工程、農(nóng)田灌溉和城鎮(zhèn)供水等重要領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著南水北調(diào)工程的開展，雙吸離心泵正朝著大型化的方向發(fā)展，例如惠南莊泵站所采用的雙吸離心泵葉輪直徑高達(dá)1.75m，單機(jī)功率達(dá)到7500kW[1]。雙吸離心泵尺寸的不斷增大，功率增加，其運(yùn)行穩(wěn)定性問題就更加突出，在泵的內(nèi)部流動存在較強(qiáng)的壓力脈動，容易誘發(fā)機(jī)組的振動和噪聲[2，3]。

離心泵壓力脈動研究表明，離心泵內(nèi)部動靜部件的干涉作用和葉輪出口處的“射流—尾跡”是產(chǎn)生較大壓力脈動的主要根源[4，5]。為了降低壓力脈動，很多學(xué)者提出了諸如適當(dāng)改變隔舌位置與葉輪出口之間的間隙及隔舌形狀、調(diào)節(jié)運(yùn)行工況等辦法來控制和改善離心泵的壓力脈動情況[6-8]。將雙吸離心泵葉輪兩側(cè)葉片均勻交錯布置形式已經(jīng)在惠南莊泵站得到了應(yīng)用，并有效降低了壓力脈動。Spence等[9]運(yùn)用CFD軟件研究了一臺雙蝸殼雙吸離心泵的壓力脈動特性，考慮了對稱布置、15°交錯布置和30°交錯布置，結(jié)果也證實(shí)了葉輪布置形式對壓力脈動影響較大。姚志峰等[10]采用試驗(yàn)方法通過對五種不同形式葉輪分別安裝到相同的雙吸離心泵泵體內(nèi)進(jìn)行壓力脈動性能測試，表明葉輪交錯布置可以有效降低壓力脈動。但是對葉輪交錯布置角度的變化降低壓力脈動的機(jī)理，以及對水泵性能的研究還比較少。要揭示其內(nèi)部機(jī)理，就必須對蝸殼內(nèi)部的流動特征進(jìn)行分析。

為此，本文采用大渦模擬法，對雙吸離心泵在不同葉片交錯角度下的內(nèi)部流場進(jìn)行非定常數(shù)值模擬，重點(diǎn)分析葉片交錯角度變化對離心泵蝸殼內(nèi)部非定常流場的影響。

1 計(jì)算模型

本文選取的試驗(yàn)對象為一臺雙吸離心泵，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為：葉輪進(jìn)口直徑D0=700mm，葉輪外徑D2=1200mm，葉片數(shù)＝6；主要性能參數(shù)為：額定流量Q=10800m3/h，揚(yáng)程H=32m，轉(zhuǎn)速n=490r/min。為了研究葉輪不同交錯角度對雙吸離心泵性能的影響，本文共選取了5組對應(yīng)的交錯角度分別為10°、15°、20°、25°、30°，其中對稱布置的葉輪和均勻交錯的葉輪如圖1所示。

圖1 不同交錯角度葉輪Fig.1 Impeller at different angles

2 數(shù)值計(jì)算方法

雙吸離心泵的計(jì)算域包括吸水室、葉輪和蝸殼。由于幾何模型復(fù)雜，故采用基于六面體和四面體單元的混合網(wǎng)格生成技術(shù)對模型進(jìn)行劃分，并對吸水室半螺旋段、葉片、隔舌區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格局部加密，計(jì)算域及網(wǎng)格如圖2所示。最后生成的網(wǎng)格單元數(shù)為248萬，節(jié)點(diǎn)數(shù)229萬。對于不同交錯角度下的網(wǎng)格劃分采用相同的策略，網(wǎng)格單元數(shù)基本相同。

圖2 雙吸離心泵計(jì)算網(wǎng)格Fig.2 Computational grid of double suction centrifugal pump

本文采用大渦模擬方法作為湍流模型來研究雙吸離心泵內(nèi)部湍流壓力脈動，并采用Dynamic Smagorinsky-Lily亞格子尺度模型作為大渦模擬的SGS模型。其邊界條件計(jì)算設(shè)置如下：在進(jìn)口法蘭處設(shè)速度進(jìn)口，其值通過流量和進(jìn)口過流面積確定；出口取在泵出口法蘭處，設(shè)置為自由出流，認(rèn)為泵內(nèi)流動在出口部分已經(jīng)達(dá)到充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)；對于泵內(nèi)轉(zhuǎn)子部件和定子部件之間的交界面，引入滑移網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行處理；固壁采用無滑移壁面條件。

采用穩(wěn)態(tài)RANS定常計(jì)算結(jié)果作為非定常計(jì)算的初始流場。采用有限體積法對瞬態(tài)控制方程進(jìn)行離散，非耦合隱式方案進(jìn)行求解，對流項(xiàng)離散采用二階迎風(fēng)格式，壓力項(xiàng)離散采用對高雷諾數(shù)的高速強(qiáng)旋流更有效的PRESTO差分格式。壓力和速度的耦合求解采用非定常計(jì)算的PISO算法。為了得到足夠分辨內(nèi)部流場的非定常信息，計(jì)算時間步長取為3.4×10-4s，每60個時間步為一個葉片通過周期[6]。

本文將在泵的設(shè)計(jì)工況下，分別對5種隔舌間隙進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。壓力脈動的監(jiān)測面和監(jiān)測點(diǎn)需要設(shè)定在流道中壓力脈動具有代表性的位置，故在蝸殼壁面共設(shè)置了8個壓力脈動監(jiān)測點(diǎn)，如圖3所示。

圖3 壓水室表面壓力脈動監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置示意圖Fig.3 Schematic diagram of pressure fluctuation monitoring points on the surface of pressure water chamber

3 結(jié)果分析

3.1 外特性預(yù)測

計(jì)算得到泵的流量揚(yáng)程及流量效率曲線，如圖4所示，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。由圖可知，預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果在趨勢上完全一致。其中，效率計(jì)算值在小流量工況下比試驗(yàn)值略低，在大流量時比試驗(yàn)值略高，但與試驗(yàn)值相比不超過5%；而揚(yáng)程計(jì)算值在小流量時略低于試驗(yàn)值，在設(shè)計(jì)流量及大流量下與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，最大相對誤差不超過3%?？梢?，該模型能夠比較準(zhǔn)確地預(yù)測了該泵的外特性，也為進(jìn)一步的預(yù)測分析提供了保證。

圖4 外特性曲線Fig.4 External characteristic curve

3.2 不同隔舌間隙情況下的外特性對比

設(shè)計(jì)流量下水泵的揚(yáng)程隨交錯角度的變化情況如圖5表示。由圖可以看出，隨著交錯角度的增大，揚(yáng)程和效率均有所下降，這是因?yàn)榻诲e之后，葉輪兩側(cè)出口流動相互摻混，水力損失增大。

圖5 設(shè)計(jì)工況下不同交錯角度對外特性的影響Fig.5 Influence of different stagger angles on external characteristics under design conditions

3.3 蝸殼內(nèi)部流場分析

在設(shè)計(jì)工況下，選擇一個典型時刻t1，即葉片出口邊距隔舌最近的時刻，研究葉片交錯角度變化對泵內(nèi)壓力和速度分布的影響。圖6所示為設(shè)計(jì)工況下t1時刻，蝸殼內(nèi)部流場分布。由圖可知，蝸殼內(nèi)的壓力分布隨著流動方向逐漸增大，受葉片交錯角度變化的影響不大。但是它對蝸殼內(nèi)部的渦結(jié)構(gòu)有明顯影響。隨著葉片交錯角度的增大，蝸殼內(nèi)部旋渦不再保持對稱，旋渦大小和強(qiáng)度也略有降低。

圖7所示為不同葉片交錯角度下，隔舌區(qū)域的渦結(jié)構(gòu)特征。由圖中可以看出，三種葉片交錯角度下，當(dāng)角度增大時，隔舌處的渦結(jié)構(gòu)上下不一致，相互影響抵消，從而渦結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和大小減弱。

圖7 不同交錯角度下隔舌區(qū)域渦結(jié)構(gòu)分布Fig.7 Vortex structure distribution in the tongue with different cross angles

3.4 壓力脈動特性分析

設(shè)計(jì)工況下，不同葉片交錯角度監(jiān)測點(diǎn)C1的壓力脈動時域圖如圖8所示。從壓力變化波形來看，隨著葉片交錯角度的增大，脈動幅度逐漸減小。當(dāng)均勻交錯時，脈動幅度最小，約為0°時的75%左右。

設(shè)計(jì)工況不同隔舌間隙下監(jiān)測點(diǎn)C1處的壓力脈動頻域特性如圖9所示。由圖可見，主導(dǎo)泵內(nèi)壓力脈動的頻率依然是以葉片通過頻率。葉片交錯角度在變大過程中，壓力脈動幅值呈現(xiàn)逐漸變小的趨勢。當(dāng)均勻交錯時，脈動幅度最小，與0°時相比，脈動幅值降低了約70%。

圖6 不同交錯角度下蝸殼內(nèi)部渦結(jié)構(gòu)分布Fig.6 Vortex structure distribution in the spiral case with different cross angles

圖8 不同交錯角度下C1處壓力脈動時域圖Fig.8 Time domain diagram of pressure fluctuations at point C1 under different stagger angles

圖9 不同交錯角度下C1處壓力脈動頻域圖（Q =Qd）Fig.9 Frequency-domain diagram of pressure pulsation at C1 under different stagger angles

4 結(jié)束語

本文采用大渦模擬方法，對雙吸離心泵葉輪不同交錯角度下的內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，并著重對蝸殼內(nèi)的流場特性及壓力脈動特性進(jìn)行了重點(diǎn)分析，初步得到以下結(jié)論：

（1）隨著交錯角度的增大，雙吸離心泵效率和揚(yáng)程與對稱布置的葉輪相比，整體上略有下降。

（2）葉片交錯角度變化對蝸殼內(nèi)壓力內(nèi)部的橫向流動也有一定影響，隨著葉輪交錯角度的增加，橫向流動的旋渦面積和強(qiáng)度減小。

（3）不同交錯角度下，蝸殼內(nèi)壓力脈動頻域值均以葉片通過頻率為主，并且隨著交錯角度的增大，雙吸離心泵效率和揚(yáng)程整體上略有上升。

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