通過對南水北調(diào)工程等比例縮放模型泵進(jìn)行全流道數(shù)值分析和試驗(yàn)研究，對模型泵在3個典型流量工況下的空化計(jì)算進(jìn)行適應(yīng)性研究，探究葉輪區(qū)域的空化發(fā)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(jìn)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(jié)果表明：隨著空化數(shù)的降低，空化首先在葉片進(jìn)口邊間隙區(qū)附近發(fā)生，逐漸往葉片出口邊擴(kuò)大，同時沿徑向往葉片背面擴(kuò)大最終覆蓋整個葉片，引起葉片出口靠近葉頂間隙10%區(qū)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(shù)增大，葉片輪緣處空化逐漸嚴(yán)重且由葉片前端往尾部移動，葉片出口軸向速度低速區(qū)主要集中在靠近間隙10%區(qū)域處，揭示了這一過程不同葉頂間隙軸流泵內(nèi)部空化特性.

　　軸流泵由于揚(yáng)程低、流速大等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉、城市給排水等工程中.然而軸流泵葉片葉頂與轉(zhuǎn)輪室之間由于間隙的存在而引起泄漏流的出現(xiàn)，泄漏流由于流速相對較大，常常引起間隙空化的發(fā)生，對軸流泵的運(yùn)行穩(wěn)定性、振動噪聲等都有重要的影響，因此軸流泵內(nèi)部葉頂間隙空化成為國內(nèi)外一個研究熱點(diǎn).文獻(xiàn)采用數(shù)值模擬的方法較好地對不同葉頂間隙下的軸流泵內(nèi)部流場進(jìn)行預(yù)測；真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)之前就曾發(fā)過一篇文獻(xiàn)通過試驗(yàn)研究的方法較好地對旋轉(zhuǎn)機(jī)械內(nèi)部間隙泄露空化的形成以及發(fā)展過程進(jìn)行捕捉和測量；文獻(xiàn)通過對軸流泵內(nèi)部空化流場進(jìn)行研究提出軸流泵內(nèi)部空穴微團(tuán)運(yùn)動規(guī)律；文獻(xiàn)通過試驗(yàn)與CFD數(shù)值模擬相對比，驗(yàn)證了數(shù)值模擬技術(shù)對工程應(yīng)用中的軸流泵汽蝕性能預(yù)測的可靠性.

　　本研究以南水北調(diào)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(jìn)行空化流場計(jì)算適應(yīng)性研究，探究葉輪區(qū)域的空化發(fā)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(jìn)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(diào)工程優(yōu)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(shè)計(jì)參數(shù)：流量Q=390m3/h，轉(zhuǎn)速n=1　450r/min，名義比轉(zhuǎn)速ns=700，葉輪直徑D=199mm，輪轂比為0.468　1、葉輪葉片數(shù)為4枚、導(dǎo)葉葉片數(shù)為7枚，運(yùn)用UG軟件并基于模型水力圖及裝配圖對模型泵葉輪、導(dǎo)葉以及其他過流部件進(jìn)行三維實(shí)體建模，裝配如圖1所示.

圖1　軸流泵三維實(shí)體裝配圖

2、數(shù)值模擬

　　2.1、網(wǎng)格劃分

　　運(yùn)用ANSYS　ICEM 軟件對葉輪與導(dǎo)葉區(qū)域分別選用C型與H 型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行6面體網(wǎng)格劃分；對葉片近壁面選用O型拓?fù)洵h(huán)繞并進(jìn)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(qū)設(shè)置20～30層網(wǎng)格.

　　2.2、邊界條件設(shè)置

　　運(yùn)用ANSYS CFX 軟件對軸流泵內(nèi)部三維流動進(jìn)行數(shù)值模擬.由于模型泵揚(yáng)程較低，系統(tǒng)相對誤差較大，因此為了提高數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，以無空化的單相計(jì)算結(jié)果為空化計(jì)算的初始值，邊界條件根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)條件進(jìn)行設(shè)置，具體如下：靜壓進(jìn)口，進(jìn)口的空泡體積分?jǐn)?shù)為0，液體的體積分?jǐn)?shù)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(jì)算收斂精度設(shè)置為10-5.

　　2.3、參數(shù)定義

　　空化數(shù)σ=2(p0-pv)/(ρw2)，徑向系數(shù)r*=r/r0，空化面積比S* =S/S0，軸向速度系數(shù)v*=v/v0，其中：r0為輪緣半徑；p0為泵進(jìn)口壓力；pv為介質(zhì)工作溫度下的飽和蒸汽壓力(3574Pa)；w為葉片進(jìn)口輪緣處的圓周速度；Vs為泵段進(jìn)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(jì)算進(jìn)行適應(yīng)性研究，探究葉輪區(qū)域的空化發(fā)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(jìn)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(jié)論：

　　a.模型泵在不同流量系數(shù)下的臨界空化數(shù)試驗(yàn)值與預(yù)測值相對誤差在6.13%～11.98%之內(nèi)，滿足計(jì)算需要，驗(yàn)證了CFD預(yù)測模型泵空化特性的正確性；

　　b.隨著空化數(shù)的降低，空化首先在靠近葉片前緣間隙區(qū)發(fā)生，且隨著空化數(shù)的降低急劇增大，同時沿徑向往葉片背面擴(kuò)大最終占據(jù)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(qū)域由于受到間隙泄漏流的影響，軸向速度系數(shù)逐漸降低，且葉片出口軸向速度系數(shù)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(shù)逐漸增大，在空化數(shù)σ=0.356時，隨著間隙的增大，葉片間隙空化逐漸嚴(yán)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(qū)的影響減小，引起葉片出口截面靠近間隙10%區(qū)域軸向速度系數(shù)變化逐漸緩慢.