為研究軸流泵輪緣間隙泄漏流的非定常特征及其對泵外特性的影響，采用基于S-A模型的DES方法和滑移網格技術，對軸流泵在設計流量下的內部湍流進行了數值計算，重點分析了4組輪緣間隙下泵內非定常流場特性及壓力脈動特性.在設計輪緣間隙下，計算所得泵揚程和效率與試驗數據吻合良好，最大相對誤差分別為2.0%和3.0%.計算結果表明：隨輪緣間隙增大，水泵揚程和效率均呈下降趨勢；輪緣泄漏渦強度和影響范圍隨輪緣間隙增大而增大，當輪緣間隙為3.3‰D2時，輪緣泄漏渦擴散至相鄰葉片出口邊；不同輪緣間隙下，葉輪區壓力脈動頻率均以葉頻為主；靠近葉片進口的葉輪室內壁壓力脈動幅值隨輪緣間隙的增大呈減小趨勢，葉輪室中部壓力脈動隨輪緣間隙增大而增大；葉輪出口斷面的壓力脈動頻域特性在不同輪緣間隙下均以1倍葉頻為主，脈動幅值隨輪緣間隙增大而減小。

　　軸流泵輪緣間隙泄漏流動及其與葉道主流、壁面邊界層和葉片尾流的相互作用，形成泵葉輪內復雜的旋渦結構和旋轉不穩定流動，將降低泵的能量性能，引發間隙泄漏空化、水力激振和噪聲，嚴重影響軸流泵的運行穩定性。研究受輪緣間隙流動影響的軸流泵內壓力脈動規律，具有重要工程意義。

　　對于受輪緣間隙泄漏流動影響的軸流泵內非定常流場的研究，主要有試驗和數值計算2種手段。采用PIV(particleimagevelocimetry)等測試技術，可對間隙泄漏渦流的內部結構及發展過程進行觀測，但受試驗費用高、葉輪內測試設備不易安裝及比尺效應等因素制約，對泵內壓力脈動的試驗研究還很困難。因此，很多學者開展了軸流泵內非定常流動的數值模擬研究，其中，采用大渦模擬方法(largeeddysimulation，LES)直接求解瞬態N-S方程，可描述大尺度渦運動并捕獲豐富的非定常流動細節，較準確地求解得到了泵內的壓力脈動特征。但由于軸流泵內非定常流動為邊界層很薄的高雷諾數湍流，邊界層內小渦的尺度往往比邊界層的厚度小很多，這使得要完全采用LES模擬薄邊界層內的流動需對近壁區進行精細的網格處理，計算量較大.針對這一情況，Spalart等提出的分離渦模擬方法(detachededdysimulation，DES)，以RANS/LES混合模式對計算域進行求解，同時具備RANS方法對近壁網格要求低、計算效率高和LES方法對湍流核心區非定常流動模擬精度高的特點，在求解水力機械內部非定常流場時具有特殊的優勢。文中采用DES方法，對不同輪緣間隙下的軸流

　　泵內部三維不穩定流場進行非定常計算，預測輪緣間隙泄漏流的形態及對泵外特性的影響，并對葉輪區的流場及壓力脈動特性進行分析，獲得泵葉輪室及葉輪出口處壓力脈動隨輪緣間隙的變化規律.

1、物理模型及網格劃分

　　研究使用的軸流泵由中國水利水電科學研究院設計，其性能試驗結果見文獻。該泵葉輪直徑D2=300mm，葉片數Z=6，葉輪設計間隙δ=0.3mm，導葉數Zd=11，轉速n=1450r/min，額定流量Qd=0.35m3/s，額定揚程Hd=11m。取泵的進口到彎管出口的整個泵段作為計算區域.為研究輪緣間隙對軸流泵內湍流壓力脈動的影響，選取4組輪緣間隙值，間隙尺寸δ/D2分別為0.5‰，1.0‰，2.0‰和3.3‰，其中δ/D2=1.0‰表示設計輪緣間隙。

　　由于軸流泵葉輪內流道扭曲嚴重，輪緣間隙結構復雜，文中采用分塊結構化六面體網格對葉輪區域進行網格劃分，輪緣間隙區采用H-O-H型網格結構，如圖1所示.計算域其他部分采用對復雜邊界適應性強的非結構四面體網格.葉片周圍和輪緣間隙區進行了局部網格加密，為了保證網格密度相近，不同間隙尺寸下輪緣間隙內沿徑向分別布置5～15層網格，計算域內對應的網格單元總數為419萬～489萬。

圖1 葉輪及輪緣間隙網格

結論

　　采用基于S-A模型的DES方法，開展了設計流量工況下不同輪緣間隙的軸流泵非定常流場計算，重點研究了輪緣間隙變化對葉輪流場結構和壓力脈動特征的影響，取得以下主要結論：

　　1)隨著輪緣間隙的增大，軸流泵的揚程和效率整體呈下降趨勢，輪緣間隙大于設計值時，揚程和效率下降幅度均顯著增加。

　　2)輪緣間隙變化對軸流泵葉輪區壓力分布影響明顯，隨著間隙增大，間隙泄漏渦逐漸向葉輪葉道內發展，渦核低壓區影響范圍增大。在3.3‰D2輪緣間隙下，葉輪流道內存在因泄漏流與主流相互作用壓力梯度劇烈變化區，且輪緣泄漏渦擴展至相鄰葉片的出口邊。

　　3)不同輪緣間隙下，葉輪室內壁壓力脈動頻域值均以葉頻fn為主，壓力脈動幅值的變化規律存在差異.葉輪室中部，壓力脈動混頻幅值和fn的頻譜值均隨輪緣間隙增大而增大；靠近葉片進口處的葉輪室內壁，壓力脈動幅值和fn的頻譜值均隨輪緣間隙增大而減小。

　　4)葉輪出口斷面內，壓力脈動頻域值主要為葉片通過頻率fn，最大壓力脈動頻譜值隨輪緣間隙增大而減小。