為了研究小流量工況下混流泵內(nèi)存在的不穩(wěn)定流動(dòng)特性，基于大渦模擬亞格子尺度模型與滑移網(wǎng)格技術(shù)，對(duì)包括進(jìn)口管和出口彎管的混流泵全流場(chǎng)進(jìn)行三維非定常湍流計(jì)算.外特性試驗(yàn)結(jié)果表明，在60%～85%最優(yōu)工況范圍內(nèi)，揚(yáng)程-流量特性曲線呈正斜率特性.數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差控制在4%內(nèi)，表明大渦模擬可以準(zhǔn)確預(yù)估混流泵存在的揚(yáng)程-流量正斜率不穩(wěn)定特性.在此基礎(chǔ)上，分析了混流泵產(chǎn)生正斜率不穩(wěn)定特性的內(nèi)流機(jī)理.分析結(jié)果表明，在小流量工況下葉輪入口切向速度呈明顯的非對(duì)稱性，葉輪與導(dǎo)葉流道內(nèi)液流的失速效應(yīng)使葉輪葉片表面和導(dǎo)葉葉片入口輪轂側(cè)存在大尺度的旋渦結(jié)構(gòu).導(dǎo)葉流道內(nèi)旋渦尺度較大，壓力脈動(dòng)沿導(dǎo)葉軸向呈明顯的周期性波動(dòng)，使旋渦區(qū)域從吸力面?zhèn)戎饾u擴(kuò)展到導(dǎo)葉流道，旋渦結(jié)構(gòu)的渦核附著在壓力脈動(dòng)最小值的導(dǎo)葉吸力面中間葉高區(qū)，且渦核旋向與葉輪旋向相同.

　　導(dǎo)葉式混流泵(以下簡(jiǎn)稱混流泵)的比轉(zhuǎn)數(shù)通常為300～600，是一種結(jié)構(gòu)和性能介于離心泵和軸流泵之間的泵型，其應(yīng)用范圍已逐漸向傳統(tǒng)的離心泵和軸流泵領(lǐng)域拓展.由于混流泵具有結(jié)構(gòu)緊湊、易啟動(dòng)以及效率高等突出優(yōu)點(diǎn)，使其在海水淡化裝置、電廠水循環(huán)、噴水推進(jìn)系統(tǒng)和核電站冷卻劑循環(huán)系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景.

　　混流泵內(nèi)非定常壓力脈動(dòng)是引起機(jī)組振動(dòng)及噪聲的主要原因之一.近年來，隨著混流泵機(jī)組的應(yīng)用越來越廣泛，混流泵水力激振等影響機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的問題越來越突出.基于試驗(yàn)方法研究混流泵內(nèi)部流動(dòng)成本高、周期長(zhǎng)且具有滯后性，隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的迅速發(fā)展，CFD數(shù)值模擬技術(shù)在水力機(jī)械內(nèi)部三維湍流數(shù)值模擬得到廣泛的應(yīng)用.混流泵內(nèi)部湍流數(shù)值模擬廣泛采用雷諾時(shí)均法，但對(duì)于非定常問題，時(shí)間平均的雷諾方程和湍流模型在理論上存在一定缺陷，而大渦模擬(largeeddysimulation，LES)在求解水力機(jī)械內(nèi)非定常流動(dòng)的壓力脈動(dòng)方面被證明具有特殊的優(yōu)勢(shì).

　　目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用大渦模擬亞格子湍流模型、雷諾時(shí)均法和試驗(yàn)測(cè)量的手段，通過選取不同特征點(diǎn)監(jiān)測(cè)壓力脈動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性，分析設(shè)計(jì)工況和非設(shè)計(jì)工況下混流泵內(nèi)非定常流動(dòng)特性.為了研究小流量工況下混流泵內(nèi)部流動(dòng)與不穩(wěn)定性之間的關(guān)系，潘中永等，Miyabe等通過CFD數(shù)值模擬，分析小流量工況下沿導(dǎo)葉入口到葉輪出口的大尺度二次回流及旋渦流動(dòng)現(xiàn)象，闡明了混流泵鞍形揚(yáng)程-流量特性曲線的揚(yáng)程驟降和上升形成機(jī)理.另外，邴浩等通過CFD數(shù)值模擬，闡明葉輪及導(dǎo)葉幾何參數(shù)及其匹配特性對(duì)混流泵性能的影響機(jī)制，可有效提高混流泵機(jī)組的水力性能.與大渦模擬相比，標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型及SSTk-ω湍流模型能夠較為準(zhǔn)確地模擬非設(shè)計(jì)工況下泵內(nèi)部流動(dòng)平均速度場(chǎng)的基本特征.因?yàn)镻IV試驗(yàn)結(jié)果是統(tǒng)計(jì)平均值，且流場(chǎng)測(cè)量過程存在不連續(xù)性，因此PIV試驗(yàn)將小尺度的渦平滑化，使得基于雷諾時(shí)均法的數(shù)值計(jì)算結(jié)果更接近于PIV實(shí)測(cè)結(jié)果，而LES方法可捕捉到小尺度渦的湍流分布規(guī)律，其計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際流動(dòng)狀態(tài).這是導(dǎo)致PIV試驗(yàn)結(jié)果與大渦模擬計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生偏差的主要原因.

　　文中應(yīng)用大渦模擬對(duì)混流泵內(nèi)部全流場(chǎng)進(jìn)行三維非定常計(jì)算，并將外特性性能預(yù)估結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比以驗(yàn)證數(shù)值方法的正確性，并在此基礎(chǔ)上分析導(dǎo)葉流道內(nèi)不同特征截面上的壓力分布規(guī)律.

1、混流泵非定常計(jì)算

　　1.1、大渦數(shù)值模型

　　大渦模擬將比網(wǎng)格尺度大的渦團(tuán)通過瞬時(shí)Navier-Stokes方程直接計(jì)算，而小尺度渦對(duì)大尺度渦運(yùn)動(dòng)的影響通過一定的模型在瞬時(shí)Navier-Stokes方程中體現(xiàn).因此需要建立數(shù)學(xué)濾波函數(shù)，以便從湍流瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)方程中將尺度小的渦濾掉，形成大渦模擬運(yùn)動(dòng)方程.采用的濾波函數(shù)為

　　式中:x為濾波后的大尺度空間上的空間坐標(biāo);x'為實(shí)際流動(dòng)區(qū)域中的空間坐標(biāo);V為控制體積所占幾何空間的大小;v為控制體所在的計(jì)算域.亞格子應(yīng)力是過濾掉的小尺度脈動(dòng)和可解尺度湍流間的動(dòng)量輸運(yùn).要實(shí)現(xiàn)大渦模擬，構(gòu)造的亞格子應(yīng)力的封閉模式為

　　大渦模擬計(jì)算的關(guān)鍵是如何表示上述應(yīng)力，即如何選取或構(gòu)造亞格子尺度應(yīng)力模型.文中采用Smagorinsky-Lilly亞格子尺度模型，Smagorinsky常數(shù)CS=0.1，其被證明適合大多數(shù)流動(dòng)情況.采用有限體積法對(duì)瞬態(tài)控制方程進(jìn)行離散，非耦合隱式方式進(jìn)行求解，對(duì)流項(xiàng)離散采用二階迎風(fēng)格式，壓力項(xiàng)離散采用對(duì)高雷諾數(shù)的高速?gòu)?qiáng)旋流更有效的PRESTO差分格式，壓力和速度的耦合求解采用適于非定常計(jì)算的PISO算法.

　　1.2、混流泵幾何模型

　　選取一臺(tái)比轉(zhuǎn)數(shù)ns=543的混流泵模型，其主要設(shè)計(jì)性能參數(shù)為流量Qd=490L/s，揚(yáng)程Hd=9.5m，轉(zhuǎn)速n=1480r/min.混流泵的主要幾何參數(shù)為葉輪出口最大直徑D2=290mm，吸入室直徑d=220mm，葉片數(shù)Z=4，導(dǎo)葉葉片數(shù)Zg=7.圖1為混流泵計(jì)算區(qū)域及導(dǎo)葉特征截面示意圖.

圖1 混流泵計(jì)算區(qū)域及特征截面

結(jié)論

　　基于大渦數(shù)值模擬和亞格子尺度模型，對(duì)混流泵進(jìn)行非定常數(shù)值模擬與試驗(yàn)驗(yàn)證，得到結(jié)論如下:

　　1)外特性試驗(yàn)表明，在0.60Qd～0.85Qd工況范圍內(nèi)，揚(yáng)程-流量關(guān)系呈正斜率不穩(wěn)定特性，數(shù)值預(yù)估結(jié)果與試驗(yàn)誤差在4%內(nèi)，試驗(yàn)驗(yàn)證大渦模擬可以準(zhǔn)確預(yù)估混流泵正斜率不穩(wěn)定運(yùn)行特性.

　　2)在小流量工況下，葉輪入口切向速度呈明顯非對(duì)稱分布.在0.75Qd工況下，混流泵葉輪與導(dǎo)葉流道內(nèi)產(chǎn)生明顯的失速效應(yīng)，導(dǎo)致葉片壓力面和吸力面存在大尺度的旋渦結(jié)構(gòu).同時(shí)，導(dǎo)葉葉片入口靠近輪轂側(cè)也存在大范圍的二次流旋渦區(qū).

　　3)在小流量工況下，導(dǎo)葉流道內(nèi)旋渦尺度較大;從導(dǎo)葉進(jìn)口到出口，旋渦尺度先增大再減小.導(dǎo)葉流道內(nèi)壓力沿軸向呈明顯的周期性波動(dòng)，導(dǎo)致旋渦區(qū)從吸力面?zhèn)戎饾u擴(kuò)展到全流道，渦核附著在壓力波動(dòng)最小的導(dǎo)葉吸力面中間葉高區(qū)，旋渦區(qū)渦核旋向與葉輪旋向相同.

　　4)混流泵的導(dǎo)葉可以改善小流量工況下的壓力脈動(dòng)特性，同時(shí)具有壓力恢復(fù)的作用.