混流泵葉輪的正反問(wèn)題迭代法設(shè)計(jì)及流動(dòng)分析
提出了用正反問(wèn)題迭代法設(shè)計(jì)混流泵葉輪的新方法。該方法能夠有效地彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)葉片時(shí)軸面流動(dòng)的計(jì)算僅滿足流體連續(xù)方程的缺陷，同時(shí)考慮了葉片形狀對(duì)軸面流場(chǎng)計(jì)算的影響。通過(guò)兩類相對(duì)流面迭代求解流體連續(xù)方程與運(yùn)動(dòng)方程，完成設(shè)計(jì)葉輪的正問(wèn)題計(jì)算。采用逐點(diǎn)積分法進(jìn)行葉片骨線繪型，在軸面上加厚葉片，在保角變換平面內(nèi)修圓葉片頭尾部，完成反問(wèn)題設(shè)計(jì)。正反問(wèn)題迭代計(jì)算直至收斂，最終完成混流泵葉輪的設(shè)計(jì)。采用SIMPLEC算法，通過(guò)求解Navier-Stokes方程和RNGk-ε 湍流模型方程，模擬了混流泵葉輪內(nèi)的三維流場(chǎng)，獲得了葉輪內(nèi)的速度與壓力分布。結(jié)果表明：正反問(wèn)題迭代方法設(shè)計(jì)的葉片對(duì)于水流的控制能力增強(qiáng)，葉輪內(nèi)部流動(dòng)穩(wěn)定，壓力分布均勻，具有更優(yōu)的水力性能。
混流泵是一種廣泛應(yīng)用于水利工程、電站冷卻系統(tǒng)、污水處理等方面的泵型�；炝鞅媒橛陔x心泵與軸流泵之間，有效地吸收了兩者的優(yōu)點(diǎn)，并彌補(bǔ)了兩者的缺點(diǎn)，具有揚(yáng)程高、適用流量范圍廣、高效運(yùn)行范圍廣、不易產(chǎn)生空化等優(yōu)點(diǎn)。
近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞著混流泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)、流動(dòng)分析與性能預(yù)測(cè)開(kāi)展了研究工作。但目前國(guó)內(nèi)混流泵的技術(shù)研發(fā)相對(duì)滯后，缺乏系列的水力模型，已有的模型效率有待進(jìn)一步提高。真空技術(shù)網(wǎng)(http://m.genius-power.com/)深入研究并改進(jìn)混流泵的設(shè)計(jì)方法，提升運(yùn)行效率，對(duì)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。
本文基于兩類相對(duì)流面流動(dòng)理論，提出了一種正反問(wèn)題迭代法設(shè)計(jì)混流泵葉輪的新方法。該方法能夠有效地彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)葉片時(shí)軸面流動(dòng)的計(jì)算僅滿足流體連續(xù)方程的缺陷，同時(shí)考慮了葉片形狀對(duì)軸面流場(chǎng)計(jì)算的影響。在反問(wèn)題設(shè)計(jì)計(jì)算的基礎(chǔ)上，數(shù)值模擬了葉輪內(nèi)部三維湍流流場(chǎng)，比較了不同設(shè)計(jì)方法對(duì)于葉輪水力效率及內(nèi)部流動(dòng)的影響，為進(jìn)一步開(kāi)展優(yōu)化設(shè)計(jì)工作提供參考。
1、正反問(wèn)題迭代法
1.1、設(shè)計(jì)方法
在混流泵葉輪傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法中，通常根據(jù)某種假定，通過(guò)求解滿足軸面流道流動(dòng)的連續(xù)方程而得到軸面速度，進(jìn)而依據(jù)該軸面速度進(jìn)行葉片造型。由于軸面速度的計(jì)算依賴一定的假設(shè)，并未滿足流體的運(yùn)動(dòng)方程，同時(shí)也未考慮葉片形狀對(duì)流動(dòng)的影響，因此傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法在理論上存在明顯的缺陷。
為彌補(bǔ)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的缺陷，本文提出了正反問(wèn)題迭代法設(shè)計(jì)混流泵葉輪葉片的方法。該法與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的流程比較見(jiàn)圖1。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中，基于某種假定計(jì)算得到軸面速度后，依據(jù)骨線方程進(jìn)行葉片繪型、加厚，完成最終葉輪的反問(wèn)題設(shè)計(jì)，具體流程如圖1a所示。正反問(wèn)題迭代法的設(shè)計(jì)步驟如下：
�、� 基于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)初始葉輪；
�、� 對(duì)葉輪進(jìn)行正問(wèn)題計(jì)算，得到同時(shí)滿足流體連續(xù)方程和運(yùn)動(dòng)方程的軸面速度分布規(guī)律；
�、� 基于正問(wèn)題計(jì)算得到的軸面速度分布規(guī)律，采用逐點(diǎn)積分法進(jìn)行葉片骨線繪型，在軸面上加厚，在保角變換平面內(nèi)修圓葉片頭尾部，完成反問(wèn)題設(shè)計(jì)，得到新的葉輪三維造型；
�、� 重復(fù)上述②、③過(guò)程，直至前后兩次反問(wèn)題設(shè)計(jì)得到的葉片軸面截線位置差別滿足要求。
具體流程如圖1b所示。
圖1 設(shè)計(jì)方法流程圖
結(jié)論
基于傳統(tǒng)方法和正反問(wèn)題迭代法設(shè)計(jì)了混流泵葉輪，采用SIMPLEC算法和RNGk-ε 湍流模型，對(duì)兩種方法設(shè)計(jì)的葉輪內(nèi)部三維湍流流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，獲得了壓力與速度分布，預(yù)估了水力效率，研究結(jié)果如下。
1)相比于傳統(tǒng)方法，正反問(wèn)題迭代法同時(shí)滿足流體的連續(xù)方程和運(yùn)動(dòng)方程，是一種在理論上更加完善的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)的葉輪更加符合流體真實(shí)的流動(dòng)情況。
2)數(shù)值模擬結(jié)果表明：正反問(wèn)題迭代法設(shè)計(jì)的葉輪水力效率較傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的葉輪提高0.8%。
3)正反問(wèn)題迭代法設(shè)計(jì)的葉輪內(nèi)部壓力分布更加均勻，葉片進(jìn)口壓力升高，有利于提高混流泵葉輪的吸入特性。
