通過對南水北調工程等比例縮放模型泵進行全流道數值分析和試驗研究，對模型泵在3個典型流量工況下的空化計算進行適應性研究，探究葉輪區域的空化發展特性，并對不同葉頂間隙δ(0.5，1.5和3.0mm)下的軸流泵空化特性進行對比分析，比較葉頂間隙大小對軸流泵空化性能和流場的影響.結果表明：隨著空化數的降低，空化首先在葉片進口邊間隙區附近發生，逐漸往葉片出口邊擴大，同時沿徑向往葉片背面擴大最終覆蓋整個葉片，引起葉片出口靠近葉頂間隙10%區域的軸向速度逐漸降低；隨著葉頂間隙的增大，模型泵的臨界空化數增大，葉片輪緣處空化逐漸嚴重且由葉片前端往尾部移動，葉片出口軸向速度低速區主要集中在靠近間隙10%區域處，揭示了這一過程不同葉頂間隙軸流泵內部空化特性.

　　軸流泵由于揚程低、流速大等特點廣泛應用于農業灌溉、城市給排水等工程中.然而軸流泵葉片葉頂與轉輪室之間由于間隙的存在而引起泄漏流的出現，泄漏流由于流速相對較大，常常引起間隙空化的發生，對軸流泵的運行穩定性、振動噪聲等都有重要的影響，因此軸流泵內部葉頂間隙空化成為國內外一個研究熱點.文獻采用數值模擬的方法較好地對不同葉頂間隙下的軸流泵內部流場進行預測；真空技術網(http://smsksx.com/)之前就曾發過一篇文獻通過試驗研究的方法較好地對旋轉機械內部間隙泄露空化的形成以及發展過程進行捕捉和測量；文獻通過對軸流泵內部空化流場進行研究提出軸流泵內部空穴微團運動規律；文獻通過試驗與CFD數值模擬相對比，驗證了數值模擬技術對工程應用中的軸流泵汽蝕性能預測的可靠性.

　　本研究以南水北調工程天津同臺測試的TJ04-ZL-02號等比例縮放模型泵為研究對象，對其進行空化流場計算適應性研究，探究葉輪區域的空化發展特性，并對不同葉頂間隙(0.50，1.50和3.00mm)下的軸流泵空化特性進行對比分析，比較葉頂間隙大小對軸流泵空化性能的影響.

1、模型

　　本研究選取了南水北調工程優秀軸流泵模型為原型泵，以其等比例縮放模型泵為研究對象.其基本設計參數：流量Q=390m3/h，轉速n=1　450r/min，名義比轉速ns=700，葉輪直徑D=199mm，輪轂比為0.468　1、葉輪葉片數為4枚、導葉葉片數為7枚，運用UG軟件并基于模型水力圖及裝配圖對模型泵葉輪、導葉以及其他過流部件進行三維實體建模，裝配如圖1所示.

圖1　軸流泵三維實體裝配圖

2、數值模擬

　　2.1、網格劃分

　　運用ANSYS　ICEM 軟件對葉輪與導葉區域分別選用C型與H 型拓撲結構進行6面體網格劃分；對葉片近壁面選用O型拓撲環繞并進行局部加密，葉片表面Y+值在0～80之間，平均值為26.43，葉輪葉頂間隙區設置20～30層網格.

　　2.2、邊界條件設置

　　運用ANSYS CFX 軟件對軸流泵內部三維流動進行數值模擬.由于模型泵揚程較低，系統相對誤差較大，因此為了提高數值模擬的準確性，以無空化的單相計算結果為空化計算的初始值，邊界條件根據實際試驗條件進行設置，具體如下：靜壓進口，進口的空泡體積分數為0，液體的體積分數為1；參考壓力為1.01325×105　Pa，液體溫度為25℃，飽和蒸汽壓力為3574Pa，空泡的平均直徑為2×10-6m.選用SSTk-w 湍流模型，計算收斂精度設置為10-5.

　　2.3、參數定義

　　空化數σ=2(p0-pv)/(ρw2)，徑向系數r*=r/r0，空化面積比S* =S/S0，軸向速度系數v*=v/v0，其中：r0為輪緣半徑；p0為泵進口壓力；pv為介質工作溫度下的飽和蒸汽壓力(3574Pa)；w為葉片進口輪緣處的圓周速度；Vs為泵段進口速度；r為圓柱截面半徑；S 為半徑為r 圓柱截面的空化面積；S0為半徑為r圓柱截面的面積；v為葉片出口半徑為r 處平均軸向速度；v0為葉片出口截面平均軸向速度；ρ=1　000kg/m3，g=9.8m/s2.

　　本文通過ANSYS CFX 軟件對模型泵在不同流量Q(320，390，480m3/h)下的空化計算進行適應性研究，探究葉輪區域的空化發展特性，并對不同葉頂間隙δ(0.50，1.50和3.00mm)下的軸流泵空化特性進行對比分析，比較葉頂間隙大小

　　對軸流泵空化性能的影響，得到以下結論：

　　a.模型泵在不同流量系數下的臨界空化數試驗值與預測值相對誤差在6.13%～11.98%之內，滿足計算需要，驗證了CFD預測模型泵空化特性的正確性；

　　b.隨著空化數的降低，空化首先在靠近葉片前緣間隙區發生，且隨著空化數的降低急劇增大，同時沿徑向往葉片背面擴大最終占據整個葉片背面；

　　c.在空化較為輕微時，葉片出口截面靠近間隙10%區域由于受到間隙泄漏流的影響，軸向速度系數逐漸降低，且葉片出口軸向速度系數隨著間隙空化的影響而減小；

　　d.隨著葉頂間隙的增大，模型泵的臨界空化數逐漸增大，在空化數σ=0.356時，隨著間隙的增大，葉片間隙空化逐漸嚴重且往葉片尾部移動，同時間隙泄漏流增加，間隙空化對主流區的影響減小，引起葉片出口截面靠近間隙10%區域軸向速度系數變化逐漸緩慢.