基于Rayleigh-Plesset空化模型和剪切應(yīng)力輸運湍流模型(SST)，應(yīng)用計算流體動力學(xué)(CFD)技術(shù)，對比轉(zhuǎn)速ns=449的蝸殼式混流泵設(shè)計工況下的流場進行數(shù)值模擬。根據(jù)模擬結(jié)果獲取了該泵的空化特性曲線，捕捉到混流泵內(nèi)空化的發(fā)生和發(fā)展過程，對開始發(fā)生空化、臨界空化和空化嚴(yán)重3種工況下葉輪內(nèi)的空化現(xiàn)象進行分析。分析結(jié)果表明：該泵空化性能滿足設(shè)計要求；混流泵葉輪內(nèi)的空化現(xiàn)象最初發(fā)生在葉輪流道內(nèi)，隨著凈正吸頭的降低，葉片背面靠近輪緣處開始出現(xiàn)空泡，該空化區(qū)域從輪緣向輪轂方向延伸。在空化嚴(yán)重時會造成葉輪流道的嚴(yán)重堵塞，導(dǎo)致混流泵揚程的下降。研究結(jié)果對于其他比轉(zhuǎn)速的蝸殼式混流泵空化特性分析具有比較重要的指導(dǎo)作用。

　　隨著社會的高速發(fā)展，混流泵越來越多地被應(yīng)用于工業(yè)和農(nóng)業(yè)的生產(chǎn).它在結(jié)構(gòu)和性能上介于離心泵和軸流泵之間，兼有兩者的優(yōu)點。空化是導(dǎo)致混流泵水力性能下降、壽命縮短、振動噪聲加劇的主要原因之一。對混流泵空化特性進行分析研究，可以對改善混流泵水力性能及抗汽蝕性能提供合理依據(jù)。國內(nèi)關(guān)于研究混流泵內(nèi)空化流動的相關(guān)文獻目前比較少。水力機械空化研究主要有數(shù)值模擬和模型試驗兩種手段。模型試驗由于耗費物力、周期長等不良因素，使得模型試驗結(jié)果對泵的指導(dǎo)意義不明顯。隨著計算流體動力學(xué)(CFD)的發(fā)展和計算機技術(shù)的提高，采用數(shù)值模擬計算方法預(yù)測水力機械的空化流動已經(jīng)成為研究的熱點。國內(nèi)外學(xué)者對水泵等水力機械的空化特性進行數(shù)值預(yù)測，都表現(xiàn)出了較好的可行性。文中基于Rayleigh-Plesset空化模型和剪切應(yīng)力輸運湍流模型(SST)，應(yīng)用計算流體動力學(xué)(CFD)技術(shù)，對比轉(zhuǎn)速ns=449的蝸殼式混流泵在設(shè)計工況下的空化流動進行數(shù)值模擬，以預(yù)測不同出口壓力條件下混流泵的揚程特性，得到泵內(nèi)空化流場分布規(guī)律。Singhal等對軸流泵在設(shè)計工況下的空化流場進行了全流道數(shù)值計算和分析，預(yù)測了流道內(nèi)空化流動和空化發(fā)生區(qū)域的發(fā)展?fàn)顩r。

1、計算對象

　　所選用的蝸殼式混流泵設(shè)計參數(shù)為：流量Q=0.3m3/s，轉(zhuǎn)速n=1　450r/min，揚程H=12m，比轉(zhuǎn)數(shù)ns=449.混流泵的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為葉輪進口直徑D1=260mm，葉輪最大直徑Dmax=350mm，葉輪葉片數(shù)Z=4.將整個泵段分為進口段，出口段，葉輪，蝸殼4個區(qū)域，并分別進行建模，如圖1所示。

圖1 混流泵模型

4、試驗驗證

　　從圖9可以看出，數(shù)值模擬得到的揚程值與試驗值的誤差在5%以內(nèi)，模擬揚程變化趨勢和試驗結(jié)果一致，說明所使用的CFD數(shù)值計算方法是有效的，試驗結(jié)果也是成功的。

圖9 模擬與試驗揚程-凈正吸頭對比

5、結(jié)語

　　(1)對比轉(zhuǎn)速ns=449的蝸殼式混流泵設(shè)計工況下的流場進行數(shù)值模擬。在未發(fā)生空化時，通過CFD計算所得的混流泵揚程與試驗值誤差小于2.5%，驗證了數(shù)值模型的可靠性；發(fā)生空化時，用CFD方法預(yù)測了混流泵的揚程衰減特性，揭示了隨著出口壓力的降低，混流泵葉輪內(nèi)空化流場的發(fā)生和發(fā)展過程。

　　(2)空化發(fā)生會影響葉片的壓力分布，從而影響水泵的外特性；在葉片的低壓區(qū)，空化現(xiàn)象嚴(yán)重。

　　(3)混流泵葉輪內(nèi)的空化現(xiàn)象最初發(fā)生在葉輪流道內(nèi)，隨著凈正吸頭的降低，葉片背面靠近輪緣處開始出現(xiàn)空泡，該空化區(qū)域從輪緣向輪轂方向延伸。在空化嚴(yán)重時，空化會造成葉輪流道的嚴(yán)重堵塞，導(dǎo)致混流泵揚程的下降。

　　(4)通過模擬與試驗揚程-凈正吸頭對比圖，證明了所使用的CFD數(shù)值計算方法的有效性，試驗結(jié)果與模擬的揚程變化趨勢一致，本次試驗也是成功的。