不对称出口导流器的射流式喷灌泵优化研究

　　为改善射流式喷灌泵的性能，提高泵的效率。本文设计了一种有2个出口的不对称导流器，可以加快泵内的气液混合与分离。通过正交试验和数值模拟方法，得到叶轮与导流器中截面多方案的空气体积分布云图，分析其气液混合与流动规律，研究导流器出口1角度θ、导流器出口2角度α和基圆直径D3对喷灌泵性能的影响，并对数值计算结果进行极差分析。研究结果得出方案4的导流器几何参数较为合理，并进行样机试验。样机试验证明:在额定工况下，泵的效率为68.86%，比国家标准值提高7.6%，达到设计要求。

1、前言

　　喷灌泵在农业灌溉中起着重要作用，泵的灌溉面积约占全部灌溉面积89%。改善喷灌泵性能不仅可以有效的节约农业灌溉用水，而且在用户使用时也会省时、省力。到2020年我国将基本完成全国大中型灌区的续建配套和节水改造，农田灌溉面积将达到60亿亩。因此，从节水灌溉的角度出发，探索改善喷灌泵性能的有效途径，研究提高喷灌泵的设计方法，具有重要的理论意义和工程应用价值。

　　传统的喷灌泵结构复杂、效率低、自吸性能较差。目前国内学者对改善自吸性能、提高喷灌泵效率和创新自吸结构进行广泛研究。通过大量试验研究总结出提高自吸泵效率和自吸性能的方法，同时，设计出轻小型射流式喷灌泵，并进行大量的理论分析和试验研究。

　　本文以一种射流式喷灌泵为研究对象，创新设计了一种不对称出口导流器，讨论对射流式喷灌泵性能的影响。通过采用数值模拟和正交试验的方法，分析不对称出口导流器几何参数对喷灌泵内部气液混合影响的主次顺序，从中选出最优几何参数，旨在为射流式喷灌泵导流器的设计提供技术参考。

2、正交试验设计

　　2.1、正交试验方案

　　导流器是一种能尽快将液体的动能转换为压力能的装置，同时使泵的内部流动趋于均匀，提高泵内气液分离的能力。不对称出口导流器采用螺旋形压水室的设计法，并设计成2个不对称的导流器出口，这样能够加速泵的气液混合与分离，从而减小泵的径向力，提高泵的运行效率。其不对称出口导流器的结构示意如图1所示。

图1 导流器结构

　　本文选取导流器出口1角度θ、导流器出口2角度α、基圆直径D3为正交试验的变化因素，A、B、C为相应编码，按每个因素选3个水平数确定因素水平表如表1所示。根据L9(34)正交表，设计的正交试验方案如表2所示。

表1 因素水平表

表2 正交数值试验方案

　　2.2、泵性能指标

　　80SZB25-4.8Q模型泵的性能参数为:流量Q=40m3/h，扬程H=25m，转速n=3600r/min，比转速ns=123。采用Pro/Engineer对该泵叶轮水体、导流器中截面以及计算域全流场进行三维建模如图2所示。

图2 计算域

　　叶轮结构采用半开式叶轮，叶片进口段设计成扭曲形状、后半段则趋于圆柱叶片。不对称出口导流器有2个液体出口和1个隔流板，隔流板外缘与叶轮间隙为1.0mm。

3、数值模拟

　　计算区域包括叶轮流道和导流器流道两部分，二者之间通过交界面实现耦合。考虑到节省模拟计算时间及计算机资源，本文采用ICEM

　　CFD对计算域进行非结构化四面体网格划分，叶轮水力网格数432727，导流器水体网格数560383，计算区域总网格数2158968。

　　两相流动数值计算时，介质为水，其动力粘度为定值。采用三维定常雷诺时均N-S方程和标准k-ε湍流模型。考虑模拟各相不同速度的气液两相流，采用Mixture多相流模型及Simple算法。速度项、湍动能和涡黏系数项采用一阶迎风差分格式，叶轮进口边界条件采用速度进口，且进口处气相的体积分数设置为1，进口湍流取值按水力直径大小及湍流强度(5%)给定，出口边界条件采用自由出流。壁面采用无滑移边界条件，设定收敛精度为10-4，从而对1～9号导流器模型进行气液两相流的数值模拟。

6、结论

　　(1)射流式喷灌泵结构设计为2个出口的不对称导流器，该导流器气液分离快，自吸性能好，在自吸过程中减少液体环流损失，设计合理;

　　(2)由极差分析，导流器几何参数影响气液混合流动的最优选取参数组合为方案4，即导流器出口1角度θ=30°、导流器出口2角度α=0°、基圆直径D3=146mm;

　　(3)经过对比分析，方案4为最优方案，根据方案4的导流器几何参数进行模型制造，并进行样机试验。试验结果表明:在额定工况点下，泵的效率为68.86%，比国家标准值提高7.6%。