关键词：
旋喷泵
叶轮
数值模拟
空化
结构优化
摘要：
旋喷泵是一种高扬程、小流量的低比转速泵,性能优于部分往复泵和高速泵。由于其作为一种特殊泵,国内对它的研究尚且欠缺,且目前多以对集流管的结构优化研究为主,不仅缺乏对叶轮方面的结构优化研究,对旋喷泵空化性能的研究目前也是毫无成果。出于补齐国内对旋喷泵研究的多元性考虑,本文以旋喷泵为研究对象,采用试验研究和数值模拟相结合的方法,通过Fluent软件对闭式叶轮、半开式叶轮、全开式叶轮三种不同叶轮形式的旋喷泵进行了定常数值模拟与非定常数值模拟,进而对比了不同的叶轮形式对旋喷泵水力特性的影响,之后分析了闭式叶轮的旋喷泵空化流程,并在最后对这三种不同叶轮形式的旋喷泵的空化性能进行了比较。本文的主要研究成果如下:
（1）在0.7Qd、0.8Qd、0.9Qd、Qd、1.1Qd、1.2Qd、1.3Qd7个流量工况下,闭式叶轮的旋喷泵扬程效率普遍高于半开式叶轮与全开式叶轮的旋喷泵,而半开式叶轮的旋喷泵扬程效率要略高于全开式叶轮的旋喷泵。这样的大小分布规律与离心泵中闭式叶轮、半开式叶轮、全开式叶轮的扬程大小分布规律是一致的,可以认为旋喷泵与离心泵在水力特性上有一定的相似性。
（2）闭式叶轮的旋喷泵内部流体静压要普遍高于另外两种叶轮的旋喷泵,能量利用率相对也要更高一些。半开式叶轮的旋喷泵与全开式叶轮的旋喷泵由于存在部分流体在去除的前后盖板区域出流的情况,导致集流管壁面附近流体存在较大的冲击,此处流体的流动损失也因此要高于闭式叶轮的旋喷泵。
（3）在非定常计算中,半开式叶轮的轴向力要远高于其余两种叶轮,而闭式叶轮与全开式叶轮的轴向力都处在能接受的范畴。从压力脉动时域特性上来看,三种叶轮的叶轮出口处流体压力脉动变化趋势相近,而半开式叶轮与全开式叶轮在转过每个叶轮流道中部时压力都存在较大幅度的下降,最终影响到了压力最大值。从频域特性上看,半开式叶轮与全开式叶轮出口流体压力都存在大幅压力下降现象,导致这两种叶轮出口流体压力的脉动幅度在各叶频倍数区域都要普遍低于闭式叶轮。也就是说,半开式叶轮与全开式叶轮的出口流体压力脉动要低于闭式叶轮。
（4）从闭式叶轮的旋喷泵空化特性曲线可以看出,当NPSHa=3.367m时,旋喷泵的扬程下降到了总扬程的3%,可以认为此处便是该旋喷泵的临界空化余量。当NPSHa>3.367m时,空化汽泡的产生和溃灭几乎不影响旋喷泵内流体的正常流动。当NPSHa<3.367m时,随着空化余量的逐渐降低,旋喷泵的空化现象对液相流体流动的干扰逐渐扩大。
（5）旋喷泵叶轮区域的空化流程与离心泵叶轮空化流程相近,均首先出现在叶片进口区域的背面,之后逐渐占据整个叶片进口区域。旋腔域空化则首先出现在旋腔中心,之后随着空化的发生沿径向不断扩大。集流管入口区域是整个旋喷泵流域中最先发生空化的区域,而直到叶轮域与旋腔域先后发生空化所导致了压力降低,集流管入口区域的空化才出现了扩大现象。叶轮域与旋腔域流体的湍动能均随着空化的加深而不断严重,集流管域的湍动能则并没有随着空化的加深而出现大幅的数值变化,而是第一个拐角处的高湍动能区域逐渐移动至了入口区域。
（6）半开式叶轮的旋喷泵临界空化余量为3.245m,全开式叶轮的旋喷泵临界空化余量为3.213m,均低于闭式叶轮的旋喷泵,说明更换为这两种叶轮均能够对旋喷泵的空化产生一定的抑制作用。而从流线图中可以看出,半开式叶轮与全开式叶轮也能改善空化发生后叶轮域流体的流动。
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