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

　　導葉式混流泵(以下簡稱混流泵)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，其應用范圍已逐漸向傳統(tǒng)的離心泵和軸流泵領域拓展.由于混流泵具有結(jié)構(gòu)緊湊、易啟動以及效率高等突出優(yōu)點，使其在海水淡化裝置、電廠水循環(huán)、噴水推進系統(tǒng)和核電站冷卻劑循環(huán)系統(tǒng)等領域具有廣泛的應用前景.

　　混流泵內(nèi)非定常壓力脈動是引起機組振動及噪聲的主要原因之一.近年來，隨著混流泵機組的應用越來越廣泛，混流泵水力激振等影響機組穩(wěn)定運行的問題越來越突出.基于試驗方法研究混流泵內(nèi)部流動成本高、周期長且具有滯后性，隨著計算流體動力學的迅速發(fā)展，CFD數(shù)值模擬技術(shù)在水力機械內(nèi)部三維湍流數(shù)值模擬得到廣泛的應用.混流泵內(nèi)部湍流數(shù)值模擬廣泛采用雷諾時均法，但對于非定常問題，時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)在求解水力機械內(nèi)非定常流動的壓力脈動方面被證明具有特殊的優(yōu)勢.

　　目前國內(nèi)外學者采用大渦模擬亞格子湍流模型、雷諾時均法和試驗測量的手段，通過選取不同特征點監(jiān)測壓力脈動的動態(tài)特性，分析設計工況和非設計工況下混流泵內(nèi)非定常流動特性.為了研究小流量工況下混流泵內(nèi)部流動與不穩(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葉入口到葉輪出口的大尺度二次回流及旋渦流動現(xiàn)象，闡明了混流泵鞍形揚程-流量特性曲線的揚程驟降和上升形成機理.另外，邴浩等通過CFD數(shù)值模擬，闡明葉輪及導葉幾何參數(shù)及其匹配特性對混流泵性能的影響機制，可有效提高混流泵機組的水力性能.與大渦模擬相比，標準k-ε湍流模型及SSTk-ω湍流模型能夠較為準確地模擬非設計工況下泵內(nèi)部流動平均速度場的基本特征.因為PIV試驗結(jié)果是統(tǒng)計平均值，且流場測量過程存在不連續(xù)性，因此PIV試驗將小尺度的渦平滑化，使得基于雷諾時均法的數(shù)值計算結(jié)果更接近于PIV實測結(jié)果，而LES方法可捕捉到小尺度渦的湍流分布規(guī)律，其計算結(jié)果更接近實際流動狀態(tài).這是導致PIV試驗結(jié)果與大渦模擬計算結(jié)果產(chǎn)生偏差的主要原因.

　　文中應用大渦模擬對混流泵內(nèi)部全流場進行三維非定常計算，并將外特性性能預估結(jié)果與試驗結(jié)果對比以驗證數(shù)值方法的正確性，并在此基礎上分析導葉流道內(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)格尺度大的渦團通過瞬時Navier-Stokes方程直接計算，而小尺度渦對大尺度渦運動的影響通過一定的模型在瞬時Navier-Stokes方程中體現(xiàn).因此需要建立數(shù)學濾波函數(shù)，以便從湍流瞬時運動方程中將尺度小的渦濾掉，形成大渦模擬運動方程.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;x'為實際流動區(qū)域中的空間坐標;V為控制體積所占幾何空間的大小;v為控制體所在的計算域.亞格子應力是過濾掉的小尺度脈動和可解尺度湍流間的動量輸運.要實現(xiàn)大渦模擬，構(gòu)造的亞格子應力的封閉模式為

　　大渦模擬計算的關(guān)鍵是如何表示上述應力，即如何選取或構(gòu)造亞格子尺度應力模型.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)流動情況.采用有限體積法對瞬態(tài)控制方程進行離散，非耦合隱式方式進行求解，對流項離散采用二階迎風格式，壓力項離散采用對高雷諾數(shù)的高速強旋流更有效的PRESTO差分格式，壓力和速度的耦合求解采用適于非定常計算的PISO算法.

　　1.2、混流泵幾何模型

　　選取一臺比轉(zhuǎn)數(shù)ns=543的混流泵模型，其主要設計性能參數(shù)為流量Qd=490L/s，揚程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，導葉葉片數(shù)Zg=7.圖1為混流泵計算區(qū)域及導葉特征截面示意圖.

圖1 混流泵計算區(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，對混流泵進行非定常數(shù)值模擬與試驗驗證，得到結(jié)論如下:

　　1)外特性試驗表明，在0.60Qd～0.85Qd工況范圍內(nèi)，揚程-流量關(guān)系呈正斜率不穩(wěn)定特性，數(shù)值預估結(jié)果與試驗誤差在4%內(nèi)，試驗驗證大渦模擬可以準確預估混流泵正斜率不穩(wěn)定運行特性.

　　2)在小流量工況下，葉輪入口切向速度呈明顯非對稱分布.在0.75Qd工況下，混流泵葉輪與導葉流道內(nèi)產(chǎn)生明顯的失速效應，導致葉片壓力面和吸力面存在大尺度的旋渦結(jié)構(gòu).同時，導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，導葉流道內(nèi)旋渦尺度較大;從導葉進口到出口，旋渦尺度先增大再減小.導葉流道內(nèi)壓力沿軸向呈明顯的周期性波動，導致旋渦區(qū)從吸力面?zhèn)戎饾u擴展到全流道，渦核附著在壓力波動最小的導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)混流泵的導葉可以改善小流量工況下的壓力脈動特性，同時具有壓力恢復的作用.