為尋求一種經(jīng)濟、適合的湍流模型模擬軸流泵葉頂泄漏渦的結(jié)構(gòu)和運動特性，該文基于ANSYSCFX軟件平臺，優(yōu)化了六面體網(wǎng)格拓撲結(jié)構(gòu)，比較了標準k-ε湍流模型(standardk-ε)、重正化群k-ε湍流模型(renormalizationgroupk-ε，RNG)，標準k-ω湍流模型(standardk-ω)和SSTk-ω湍流模型(shearstresstransport)等4種湍流模型在軸流泵葉頂泄漏渦模擬中的計算精度和葉頂泄漏渦流場特征。數(shù)值模擬和試驗結(jié)果表明，在最優(yōu)工況下，SSTk-ω湍流模型預(yù)測外特性曲線與試驗曲線吻合較好，揚程誤差為4.688%，較其他3種湍流模型準確;4種湍流模型計算的葉頂泄漏渦流線、葉頂區(qū)壓力場和軸面速度場分布規(guī)律相似，但RNGk-ε和SSTk-ω湍流模型計算的渦卷吸較強，渦帶的旋渦強度相對較大。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)基于旋渦強度提出了一種對葉頂泄漏渦的渦心進行識別的方法，并與高速攝影拍攝的渦帶結(jié)果進行了對比，在設(shè)計流量工況和大流量工況下，發(fā)現(xiàn)SSTk-ω湍流模型計算的葉頂泄漏渦運動軌跡與試驗結(jié)果吻合度較好，驗證了SSTk-ω湍流模型在軸流泵葉頂泄漏渦模擬具有較好的適用性。

　　在軸流泵中，葉輪與轉(zhuǎn)輪室之間不可避免存在葉頂間隙，葉片輪緣與端壁的相對運動以及葉頂間隙前后壓差作用產(chǎn)生了葉頂泄漏流，其與葉片吸力面的主流相交形成葉頂泄漏渦(tipleakagevortex，TLV)。泄漏渦干擾主流運動，對流道近20%的區(qū)域產(chǎn)生影響。軸流泵葉頂間隙的泄漏流在上個世紀50年代已被關(guān)注。1954年，Rain建立了間隙流動模型，該模型可估算出泄漏流在吸力面頂部出口的流速，并能分析由于泄漏流引起的轉(zhuǎn)輪效率變化，但不能計算流場的微觀流動結(jié)構(gòu)。后來，Chen等也對葉頂間隙流動建立了簡化模型，并從理論上推導(dǎo)出二維泄漏渦的運動軌跡坐標。戴辰辰等基于商用軟件討論了葉頂間隙對軸流泵外特性的影響，也得出了類似的結(jié)論，并分析出間隙泄漏渦是由于間隙泄漏流與主流發(fā)生卷吸而形成的。梁開洪等分析了泄漏渦的特征與泵的運行工況有著密切的關(guān)系。BWMcCormich等對水力機械內(nèi)部的間隙泄漏渦發(fā)生以及發(fā)展過程進行了初步分析。上述研究可見，軸流泵葉頂區(qū)流場的研究已取得一定的研究進展，目前數(shù)值模擬方法已成為有效的研究方法之一。

　　由于軸流泵葉頂區(qū)的真實流場非常復(fù)雜，由于葉頂間隙等復(fù)雜邊界條件的存在，流動中常伴有流動分離、二次流、葉尖泄漏流和汽蝕渦流等復(fù)雜流動現(xiàn)象，試驗手段難以準確測量葉頂泄漏渦的結(jié)構(gòu)形態(tài)，選擇合適的湍流模型進行數(shù)值模擬是重要的研究途徑之一。但是現(xiàn)有的湍流模型很多，針對水力機械，一些學(xué)者也提出了改進的湍流模型[19]，但是水力機械物理模型的多樣性和特殊性，目前針對軸流泵葉頂泄漏渦計算，尚未見相關(guān)的湍流模型計算對比和驗證。因此，本文以南水北調(diào)同臺試驗?zāi)Ｐ?編號TJ-ZL-02)的等比例縮放泵作為研究對象，在不同工況下對網(wǎng)格無關(guān)性進行分析，并通過計算值與試驗結(jié)果的對比，旨在探討不同湍流模型在軸流泵葉頂泄漏渦數(shù)值模擬中的適用性。

軸流泵模型及數(shù)值計算方法

　　1.1、幾何模型

　　本文選取了南水北調(diào)工程天津同臺試驗的TJ04-ZL-02號優(yōu)秀軸流泵模型為原型泵，以其等比例縮放為葉輪直徑為200mm的模型泵為研究對象，其基本參數(shù)：葉輪直徑D2=200mm，葉片數(shù)Z=4，導(dǎo)葉葉片數(shù)Z'=7，轉(zhuǎn)速n=1450r/min，0°葉片安放角的最優(yōu)工況下的流量Q=392.80m3/h，模型泵計算區(qū)域按照試驗系統(tǒng)設(shè)置，全流場的三維實體布置如下圖1所示。

圖1 軸流泵全流道三維實體

　　1.2、網(wǎng)格拓撲結(jié)構(gòu)及其優(yōu)化

　　網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接影響到計算的斂散性及結(jié)果的準確性與計算精度。本節(jié)將采用全六面體網(wǎng)格分別對進水管、葉輪、導(dǎo)葉和出水管進行離散。葉頂間隙為0.5mm，為了模擬葉頂泄漏渦邊界層精細化流場，葉輪區(qū)域選用J型拓撲結(jié)構(gòu)，用O型拓撲控制葉片近壁面的邊界層分布。并對葉輪葉頂間隙區(qū)設(shè)置20～25層網(wǎng)格，葉輪局部及計算域整體網(wǎng)格如下圖2所示。

圖2 計算區(qū)域局部網(wǎng)格劃分

　　1.3、湍流模型及邊界條件

　　以時均N-S方程為基本控制方程，分別采用標準Standardk-ε,RNGk-ε,k-ω和SSTk-ω模型對模型泵進行全流道數(shù)值模擬，采用有限元的有限體積方法對方程組進行離散，其中對流項采用了高分辨率格式(highresolutionscheme)，其他項采用中心差分格式，邊界條件根據(jù)實際試驗條件進行設(shè)置，設(shè)置如下：采用速度進口，壓力自由出口邊界條件，壁面采用光滑無滑移壁面，參考壓力為101325Pa，動靜交界面設(shè)置為Stage，湍流模型分別選擇Standardk-ε,RNGk-ε,k-ω,SSTk-ω4種湍流模型，計算收斂精度設(shè)置為10-5。

　　結(jié)論

　　1)采用改進的網(wǎng)格拓撲，利用局部加密方法，較好的捕捉到了精細的葉頂泄漏渦行為，在保證計算要求的前提下，降低了總體網(wǎng)格數(shù)，提高了計算機計算速度。

　　2)在偏工況下，標準k-ω湍流模型計算的揚程誤差略小于SSTk-ω湍流模型;而在最優(yōu)工況下(Q=392.80m3/h)，SSTk-ω湍流模型預(yù)測曲線與試驗曲線吻合較好，預(yù)測誤差最小，揚程誤差為4.688%，較其他3種湍流模型準確。

　　3)4種湍流模型計算的葉頂泄漏渦流線、壓力場和軸面速度場趨勢相似，但在微觀流場上也具有差異，SST模型邊界層采用k-ω模型，邊界層計算較為準確，泄漏流卷吸效果較好。

　　4)采用葉頂泄漏渦主動空化方法，通過高速攝影捕捉泄漏渦軌跡，數(shù)值模擬計算結(jié)果和試驗對比表明，在最優(yōu)工況下和大流量工況下，SSTk-ω湍流模型計算的葉頂泄漏渦的運動軌跡與試驗吻合較好，驗證了SSTk-ω湍流模型在軸流泵葉頂泄漏渦模擬中的適用性。