引言

       在水泵運行過程中，要求水泵系統能夠盡量在滿足流量需求的同時，也能滿足揚程的需求。并且還需要盡量滿足節約能源達到高效的目的。目前引用最廣泛的泵型為離心泵，特點為揚程高，并可廣泛應用于電力、冶金、煤炭、建材等行業[1]。在整個水泵系統當中，水泵的運行工況對水泵系統的水力特性有著重要影響。直接影響體現在泵運行時的流量和揚程，并且會間接影響水泵機組系統在運行過程當中的穩定性[2]。 

       事實上水流在進入水泵葉輪之前除了具有軸向分速度外，還存在切向速度，水流當中就存在預旋[3]。預旋的存在則會改變葉片上速度三角形中進口速度向量，從而會使水泵運行特性的發生變化。研究顯示，在進水設計不良的水泵進水建筑物中，水泵進口也存在著預旋，吸水管內同樣分布著渦流[4,5]。并且渦流在離心泵入口側管段中的形成過程主要是經歷了一個從無旋運動到有旋運動的變化過程。因此我們選擇在混流泵進口處設置擋板，用以減小預旋對泵效率的影響。至今，對于擋板數量、位置對泵的影響的研究報告成果并不多，故對于擋板對于單級泵水力性能的影響有必要進行研究。 

        如今計算流體力學（CFD）技術發展迅速，如 Ansys-CFX、Fluent 的功能軟件在模擬流體機械的內部流場中應用也越來越廣泛，并且數據模擬結果和實際情況在大部分情況下相當吻合。故在本研究中正式采用了 Ansys 軟件當中的 CFX 對一種單級泵流態進行了數據模擬分析。 

1. 研究對象與數值模擬

1.1研究對象 

      在此次研究當中，泵體的主要設計參數如下：設計流量 QN=144m3/h；轉速 n=2950r/min;軸功率P0=311.5Kw；介質為清水。 

      通過三維建模軟件 SIMENS-NX8.0 建立的泵體吸水室計算模型如圖 1 所示，泵體的計算區域由以下 4 個部分組成，分別是：進水管、葉輪、壓水室、出水管。在進出口不進行額外處理，以正常反應回流對模擬結果產生影響以及體現擋板對模擬結果的影響。（下圖為吸水室模型，方框中為擋板位置） 

1.2網格劃分 

       計算區域中，進出水管以及壓水室采用專業的前處理軟件 ICEM 進行網格劃分，葉輪通過 Ansys TurboGrid 軟件進行網格劃分。為了研究擋板位置以及數量對混流泵小流量工況的影響，一共設置了 4 種方案（如表格 1 所示）。表一中還包含不同方案環形吸水室的網格質量與數量。針對文中混流泵模型進行網格獨立性分析，得出不能將整個計算區域簡化為一個流道，需要對整個流域分別進行網格劃分再綜合到為一個計算域，經過分析得出整個計算域的網格數大約為 1.3千萬個。（注：R代表泵體進口半徑） 

1.3計算方法 

       采用 Ansys CFX 求解混流泵，采用模型選用 SST k-ω模型，該模型是由 Menter[6]發展，以便可以在廣泛的領域中可以獨立于 k-ε模型，使得在近壁自由流中 k-ω模型有廣泛的應用和精度。為了達到此目的，k-ε模型變成了 k-ω公式。SST k-ω模型和標準的 k-ε模型相似，但在不同流域實用度以及精確度上高于標準的 k-ε模型。其中 SST k-ω在湍流粘度上考慮到了剪切應力的傳播，同時模型常量也有一定不同。因此SST k-ω更適用于復雜的流場計算。 

其方程形式如下： 

       在方程中，Gk表示湍流的動能，Gω為方程，Γk，Γω分別代表 k 與蓜有效擴散項，Yk，Yω分別表示 k與蓜發散項。Dω表示正交發散項。Sk與Sω用戶自定義。 

        這個方程與標準的 k-ω模型不同，標準 k-ω中，α∞為一個常數，而在 SST 模型中，α∞方程如下所示： 

       為得到較精確的計算值，設置其邊界條件如下：進口邊界條件，進口采用質量流量進口邊界條件，參考流速設置為3.6 m/s；邊界出口條件，采用總壓出口，參考壓力設置為 1Bar。 

2． 計算結果與分析 

2.1 葉片表面壓力

       在液體內，局部壓力降低的時候，會使得液體內部或固液交界面上氣體空泡的形成、發展以及潰滅過程，我們將這種現象稱之為空化現象。在液體當中的物體受到空化現象的影響后，會出現變形、腐蝕等稱為氣蝕現象的產生。通常我們會選擇在易發生氣蝕區域涂上抗氣蝕材料，但相應則會增加成本。更好的方式就是在設計水泵時，進行模擬，通過葉片表面壓力反饋更改設計。 

       如圖 3 所示，為入口擋板數量及高度設置不同的情況下，在水泵葉輪輪轂中心位置的水泵葉片表面靜壓分布云圖。其中，通過在水泵進口未設置擋板與設置擋板不同情況的比較，可以得出設置擋板后葉片壓力分布明顯優于未設置擋板，且設置一塊擋板與設置兩塊擋板并沒有太明顯的區別。再觀察葉片壓力面與吸力面壓力，在方案 2 中，葉片壓力面與吸力面壓力差較��；通過觀察數據，方案 3 顯示出其葉片壓力差大小位于方案 1、2 之間。 

2.2 葉輪進口軸面流場 

       如圖 4 中所示葉輪進口處截面圖。對比方案 1 與方案 2，明顯在增加擋板后，擋板有效改變了靠近葉輪室壁面的螺旋型回流的連續性，有效減小了出現回流的區域，增加了軸向主流區域。同時再橫向比較方案 2 與方案 4，選擇增加兩塊擋板后，葉輪室壁面附近的回流區域差異并不大。相較于方案 2，方案 3 所產生的回流區域略大，但也小于方案 1 中所示區域。

       再觀察圖 4 中軸面上葉輪進口速度分布圖。方案 1 中，在葉輪進口邊緣出現明顯回流，回流造成了葉輪進口流道的堵塞，使得水泵有效過流面積減小，并且在流道中間也存在渦流。而方案 2、3、 4 中顯示葉輪進口處的擋板有效的阻斷了葉輪進口回流的連續性，減弱了回流沿著徑向和軸向的發展，有效減小了回流對于葉輪進口通道處的堵塞程度，提高了揚程。三種方案中，方案 2 中效果為最優，方案 4 效果較差。 

2.3 效率揚程對比 

       通過模擬，可以得到在同樣工況下，方案 1-4 的效率與揚程。相比較之下，可以得出。方案 2-4的效率及揚程明顯高于方案 1；方案 3 的揚程與效率高于方案 4，而略低于方案 2。 

3． 總結 

       根據模擬結果顯示，葉片工作面附近壓力比背部附近壓力大，以及壓力與速度有較大關聯性等。在環形壓水室，由沒有擋板到增加擋板時，擋板設置在一定程度上限制了葉輪進口回流的連續性，抑制了回流的發展。但在設計擋板改善進口流動狀況時，擋板數量增加并不能保證得到較好的流態，僅增加擋板數量甚至會導致進口流動狀態變差。在擋板高度增加會使水泵進水口流動狀態得到優化，而對于穩定運行區性能無太大影響。對比方案 2 與方案 4，效率相差不大，但基于幾何強度考慮，方案 4 中的隔板鑄造困難，經濟效益考慮方案 2 更合算，故考慮實際制造時會選用方案 2。 

參考文獻 

[1]王福軍，魏永霞，等.水泵與水泵站[M],2005. 

[2]楊華，孫丹丹，湯方平，等.軸流泵非穩定工況下葉輪進口流場實驗研究[J].排灌機械工程學報,2011,29(5):406-410. [3]朱紅耕，陸林廣，等.水泵進口預旋及渦流強度測試新技術[J].灌溉排水學報,2003,22(3):57-58. 

[4]American National Standard for Pump Intake Design[M].NJ.USA,1998:22-28. 

[5]Laboratory of Pump Study report on the C W Pump sump and intake hydraulic model test[M].Yangzhou University,2003:3-28. 

[6]Menter F R. Zonal Two Equation k-ω Turbulence Models for Aerodynamic Flow[J].AIAA-93-2906.