蜗壳式混流泵空化特性分析

　　基于Rayleigh-Plesset空化模型和剪切应力输运湍流模型(SST)，应用计算流体动力学(CFD)技术，对比转速ns=449的蜗壳式混流泵设计工况下的流场进行数值模拟。根据模拟结果获取了该泵的空化特性曲线，捕捉到混流泵内空化的发生和发展过程，对开始发生空化、临界空化和空化严重3种工况下叶轮内的空化现象进行分析。分析结果表明：该泵空化性能满足设计要求；混流泵叶轮内的空化现象最初发生在叶轮流道内，随着净正吸头的降低，叶片背面靠近轮缘处开始出现空泡，该空化区域从轮缘向轮毂方向延伸。在空化严重时会造成叶轮流道的严重堵塞，导致混流泵扬程的下降。研究结果对于其他比转速的蜗壳式混流泵空化特性分析具有比较重要的指导作用。

　　随着社会的高速发展，混流泵越来越多地被应用于工业和农业的生产.它在结构和性能上介于离心泵和轴流泵之间，兼有两者的优点。空化是导致混流泵水力性能下降、寿命缩短、振动噪声加剧的主要原因之一。对混流泵空化特性进行分析研究，可以对改善混流泵水力性能及抗汽蚀性能提供合理依据。国内关于研究混流泵内空化流动的相关文献目前比较少。水力机械空化研究主要有数值模拟和模型试验两种手段。模型试验由于耗费物力、周期长等不良因素，使得模型试验结果对泵的指导意义不明显。随着计算流体动力学(CFD)的发展和计算机技术的提高，采用数值模拟计算方法预测水力机械的空化流动已经成为研究的热点。国内外学者对水泵等水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。文中基于Rayleigh-Plesset空化模型和剪切应力输运湍流模型(SST)，应用计算流体动力学(CFD)技术，对比转速ns=449的蜗壳式混流泵在设计工况下的空化流动进行数值模拟，以预测不同出口压力条件下混流泵的扬程特性，得到泵内空化流场分布规律。Singhal等对轴流泵在设计工况下的空化流场进行了全流道数值计算和分析，预测了流道内空化流动和空化发生区域的发展状况。

1、计算对象

　　所选用的蜗壳式混流泵设计参数为：流量Q=0.3m3/s，转速n=1　450r/min，扬程H=12m，比转数ns=449.混流泵的主要结构参数分别为叶轮进口直径D1=260mm，叶轮最大直径Dmax=350mm，叶轮叶片数Z=4.将整个泵段分为进口段，出口段，叶轮，蜗壳4个区域，并分别进行建模，如图1所示。

图1 混流泵模型

4、试验验证

　　从图9可以看出，数值模拟得到的扬程值与试验值的误差在5%以内，模拟扬程变化趋势和试验结果一致，说明所使用的CFD数值计算方法是有效的，试验结果也是成功的。

图9 模拟与试验扬程-净正吸头对比

5、结语

　　(1)对比转速ns=449的蜗壳式混流泵设计工况下的流场进行数值模拟。在未发生空化时，通过CFD计算所得的混流泵扬程与试验值误差小于2.5%，验证了数值模型的可靠性；发生空化时，用CFD方法预测了混流泵的扬程衰减特性，揭示了随着出口压力的降低，混流泵叶轮内空化流场的发生和发展过程。

　　(2)空化发生会影响叶片的压力分布，从而影响水泵的外特性；在叶片的低压区，空化现象严重。

　　(3)混流泵叶轮内的空化现象最初发生在叶轮流道内，随着净正吸头的降低，叶片背面靠近轮缘处开始出现空泡，该空化区域从轮缘向轮毂方向延伸。在空化严重时，空化会造成叶轮流道的严重堵塞，导致混流泵扬程的下降。

　　(4)通过模拟与试验扬程-净正吸头对比图，证明了所使用的CFD数值计算方法的有效性，试验结果与模拟的扬程变化趋势一致，本次试验也是成功的。