混流泵葉片優(yōu)化及基于狀態(tài)方程模型的空化研究

　　在保證效率和揚(yáng)程的前提下，為了最大限度地提高混流泵空化性能，利用基于正壓流體狀態(tài)方程的空化模型，開(kāi)展了混流泵空化性能研究.發(fā)現(xiàn)原來(lái)采用速度系數(shù)法設(shè)計(jì)的5葉片混流泵葉片結(jié)構(gòu)并不合理，泵葉輪設(shè)計(jì)工況下的臨界空化余量較高.針對(duì)這一問(wèn)題，增加混流泵的葉片數(shù)目為7片，并以效率和揚(yáng)程作為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)7葉片混流泵葉片進(jìn)口邊形狀、葉片前緣厚度以及葉片厚度變化規(guī)律進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì).混流泵優(yōu)化前后3種不同葉片結(jié)構(gòu)方案的空化性能對(duì)比分析結(jié)果表明：混流泵葉片進(jìn)口邊適當(dāng)向進(jìn)口方向延伸，葉片進(jìn)口邊前緣減薄，以及改變?nèi)~片厚度的變化規(guī)律，將使混流泵的臨界空化余量大大降低.優(yōu)化設(shè)計(jì)后的混流泵效率為90.857%，揚(yáng)程為163.86m，優(yōu)化后的臨界空化余量為28.64m，相比優(yōu)化前降低了45%，有效地改善了混流泵在設(shè)計(jì)工況下的空化性能，為今后該類(lèi)高溫高壓混流泵的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了方向。

　　混流泵由于兼具大流量和高揚(yáng)程的優(yōu)點(diǎn)，可作為核反應(yīng)堆冷卻劑用泵.然而，由于核主泵工作范圍內(nèi)不允許發(fā)生空化的苛刻要求，在核主泵設(shè)計(jì)階段，掌握泵結(jié)構(gòu)對(duì)空化性能的影響規(guī)律，提高泵的抗空化能力至關(guān)重要.目前，國(guó)內(nèi)外研究者主要采用CFD方法，基于不同的空化模型，研究混流泵空化性能和泵內(nèi)結(jié)構(gòu)的映射關(guān)系，但是，涉及混流式核主泵空化方面的研究相對(duì)較少。

　　甘加業(yè)等基于輸運(yùn)方程空化模型，驗(yàn)證了混流泵采用小的葉片角可以提高泵的空化性能.吳大轉(zhuǎn)等研究發(fā)現(xiàn)混流泵采用前彎型進(jìn)口邊時(shí)，其空化性能要比后彎型好.羅先武等針對(duì)較低比轉(zhuǎn)速離心泵的分析結(jié)果表明，葉片進(jìn)口邊朝葉輪輪轂方向適當(dāng)延伸可以明顯改善泵的水力性能和空化特性.范宗霖等研究發(fā)現(xiàn)混流泵進(jìn)口邊形狀向葉輪吸入口方向凸出越大則空化性能越差，并指出葉片進(jìn)口邊形狀引起泵空化余量改變是一個(gè)復(fù)雜多變量?jī)?yōu)化問(wèn)題.文獻(xiàn)基于輸運(yùn)方程空化模型較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了混流泵的空化性能，但是，并沒(méi)有提出改進(jìn)結(jié)構(gòu)的方法.文獻(xiàn)用多目標(biāo)設(shè)計(jì)方法對(duì)某混流泵進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，但是并沒(méi)有對(duì)優(yōu)化后的結(jié)果進(jìn)行空化計(jì)算及空化性能分析。

　　鑒于此，本文利用Design3D 軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的混流泵葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，真空技術(shù)網(wǎng)(http://m.genius-power.com/)基于正壓流體狀態(tài)方程的空化模型，研究混流泵的空化性能，在保證混流泵外特性的前提下，尋求降低混流泵臨界空化余量與結(jié)構(gòu)優(yōu)化的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

1、正壓流體狀態(tài)方程空化模型

　　根據(jù)對(duì)單一介質(zhì)密度定義的方式不同，空化模型可分為2種：基于輸運(yùn)方程的模型和基于狀態(tài)方程的模型.輸運(yùn)方程空化模型考慮了氣液兩相間的質(zhì)量輸運(yùn)，目前應(yīng)用比較廣泛.然而，狀態(tài)方程空化模型以其計(jì)算速度快、收斂性好等優(yōu)點(diǎn)，在復(fù)雜結(jié)構(gòu)透平機(jī)械中越來(lái)越受到關(guān)注。

　　狀態(tài)方程模型由Delannoy 提出，隨后，Coutier-Delgosha等又對(duì)該模型提出了改進(jìn).其基本思想是將空化流作為一種均勻平衡氣液混合物，基于狀態(tài)方程來(lái)描述水和水蒸氣之間的相變.即假定流體為正壓流體，流體密度是壓力的單值函數(shù).由此再聯(lián)立求解混合物的連續(xù)性方程和動(dòng)量方程，從而求得氣流混合物的密度分布。流體密度與壓力之間的關(guān)系表示為ρm =ρm(p)，該函數(shù)用分段函數(shù)表示，如圖1所示。

圖1 流體密度與壓力的關(guān)系

結(jié) 論

　　(1)對(duì)NACA66(mod)翼型進(jìn)行的空化數(shù)值研究表明，所采用的空化模型可以準(zhǔn)確地分析空化流動(dòng)，證明了其有效性。

　　(2)對(duì)5葉片混流泵葉輪的空化性能分析表明，其臨界空化余量較大。

　　(3)以揚(yáng)程和效率作為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)7葉片混流泵的進(jìn)口邊形狀、葉片前緣厚度以及葉片加厚規(guī)律進(jìn)行的優(yōu)化結(jié)果表明：優(yōu)化后的混流泵臨界空化余量相比優(yōu)化前降低了45%，混流泵葉片進(jìn)口邊適當(dāng)?shù)叵蜻M(jìn)口方向延伸、減薄進(jìn)口邊的厚度，以及優(yōu)化葉片厚度變化規(guī)律，可有效地改善混流泵的空化性能。