低比转数离心泵进口预旋的数值计算研究论文
低比转数离心泵一般是指比转数n = 30-80的离心泵，广泛应用于农业排灌、城市供水、锅炉给水、矿山、石油和化工等领域.与中高比转数离心泵相比，低比转数离心泵有其特殊性，即轴功率曲线随流量增大而迅速上升，通常没有极值出现，导致泵在大流量区运行极易产生过载现象.因此，研究一种具有无过载性能的低比转数离心泵设计方法具有十分重要的意义.
传统的无过载理论都是假设叶轮进口无旋，通过适当减小叶轮出口宽度、叶片出口安放角及叶片数来实现无过载性能，最终取得了很好的效果.但有时受到加工条件、运行条件及效率等因素的限制，仅仅在叶轮上实现无过载性能比较困难.前置导叶预旋调节技术在风机和压缩机中得到了较为普遍的应用，国内外己对其开展了深入的研究，并逐渐应用到水泵中，且己证实该技术是一种较好的工况调节方法.
对于多级离心泵，可通过级间导叶产生预旋，对于单级离心泵，可通过前置导叶产生预旋.为研究预旋对离心泵性能的影响，选择计算区域较少的单级离心泵QDX6-20-0. 75为研究对象.设计3组方案，以商用软件Fluent 6. 2为平台，通过数值模拟对其内流场和外特性进行分析.
1方案设计
QDX6-20-0. 75的设计参数为流量Q =6 m /h扬程H=20 m，配套电动机功率P=0.75 kW，转速n =2 850 r/min，比转数n = 45 .
叶轮和蜗壳的设计均采用速度系数法，并结合优秀水力模型对该泵进行结构设计，蜗壳采用较小的基圆直径，叶轮和泵体主要几何参数为叶轮进口直径D -48 mm，叶轮轮毅直径D = 18 mm，叶轮出口直径D -135 mm，叶轮出口宽度Z = 8 mm，泵体出口直径D= 34 mm，泵体基圆直径D3 = 136 mm泵体宽度b3 -20 mm.为减小轴向长度，前置导叶采用径向导叶形式，由环形四周进水.为更好地引导水流产生预旋，前置导叶按照等角对数螺旋线进行设计.
为了使多级泵产生不同的预旋，改变前置导叶的出口安放角。出口宽度文中设计了3组方案，其中方案1中900，相当于进口无旋，其余方案均增加不同程度的正预旋.
2数值模拟
2. 1模型建立
QDX6 -20 -0. 75型潜水泵主体结构主要由电动机、前置导叶、叶轮、蜗壳组成，整泵结构如图la所示.其中，前置导叶、叶轮和蜗壳为过流部件.数值模拟需要对流场空间进行求解，为了获得流体区域，首先在绘图软件Pro / E中对各方案前置导叶和叶轮零件进行三维造型.然后通过轴面投影图画出包含水体的旋转体，再导入实体零件模型对其作布尔运算，即得到流道水体模型.蜗壳的零件造型比水体更为复杂，而计算所需的仅是水体.
2. 2网格划分
文中的网格生成是利用专用前处理软件包Gambit完成的，对全流场采用适应性较强的非结构网格进行离散，各方案中蜗壳和出口段的几何模型是相同的，故采用相同的网格进行计算，经过网格无关性分析，总网格数保持在1.0 x1护以上，其计算性能基本保持稳定.
2. 3求解控制参数及边界条件
应用Fluent软件进行模拟计算时，采用标准k二湍流模型封闭控制方程组，利用SIMPLE算法，速度项、湍动能项和涡豁系数项采用一阶迎风差分格式，欠松弛因子取默认值，收敛精度均设置为10-5.进口边界条件采用速度进口，出口采用自由出流，固壁满足无滑移条件，即相对速度=0，压力取为第二类边界条件.
3多方案性能分析
3. 1静压分布
流量口分别为2-6-10 m3/h工况时，不同方案的静压云图.
各图中的.静压分布具有相同的特征，由叶轮进口到出口，静压逐渐上升，最小值出现在叶轮进口边背面处，同一半径上工作面的压力大于背面的压力.蜗壳中，静压随着半径增大而增大，在外壁处达到最大，沿液流方向，静压也会增大，在扩散段中，压力达到最大，这是由于蜗壳中液体速度减小，动能转换为压力能.另外，在小流量工况，各方案的静压大小及分布几乎相同，随着流量的增大，各方案的静压都相应减小，方案1静压减小幅度较方案2和方案3缓慢，方案3减小最快.通过相同方案不同流量对比，发现预旋的影响随着流量增大逐渐增大，即在小流量工况，正预旋对静压的降低作用很小，随着流量增大，正预旋对静压降低作用越来越大.通过相同流量下不同方案对比，发现进口无旋的方案1静压始终为最高，方案3静压始终为最低，说明预旋可以降低泵内部的压力，且预旋越强，压力降低幅度越大.
3. 2相对速度分析
预旋对叶轮内液体流动的影响主要表现在叶轮进口，因此，将叶轮进口边的流态局部放大.
从图3中可以看出，叶片背面的相对速度均大于工作面的相对速度，这是由于叶轮内部的相对运动是由均匀流与轴向旋涡运动叠加作用的结果.从叶片背面至工作面，速度变化梯度由小到大分别为方案1，方案2和方案3.由方案1可以明显看到，部分液体从叶片背面流向叶片工作面，方案2,3中这种流动现象不太明显.这是由于叶轮按正冲角设计，在额定工况下液流角小于叶片安放角，在叶片进口边背面区域的流体，由于没有受到叶片的约束作用，它会向下一个叶片的工作面流动，在受到工作面的阻挡后，就沿着叶片工作面流动，这样工作面的速度就会增大.由此可知液流角越小，这种现象越明显.
3. 3圆周分速度分析
叶轮内部某流体质点的速度三角形，图中u为叶轮旋转所产生的牵连速度，其方向沿着该点绕轴线所形成的圆在该点的切线方向;为质点的相对速度;:为质点的绝对速度，其方向沿流线上该点的切线方向.绝对速度:与牵连速度u的夹角为绝对液流角a，此处规定当绝对速度径向分量V.向外流动时为正，向内流动时为负;相对速度、与u方向的夹角月为相对液流角.叶轮进口前的绝对液流角a是由来流条件决定的，预旋的大小可通过绝对液流角来表征，从速度三角形可以看出，在同一流量下绝对液流角的改变会引起圆周分速度v、相对速度、及相对液流角月的改变，预旋越强，a越小;若a<0，则说明出现了回流.可以通过观察绝对液流角来研究叶轮前的流动状态.另外，由图4中叶轮进口速度三角形可以看出，正预旋会增大液流角，由于方案2,3比方案1有更大的液流角，所以从叶片背面流向工作面的液体会减少，叶片背面到工作面的速度梯度会增大.
4结论
1)预旋可以降低泵内部的静压，流量越大，降幅越大;预旋越强，下降越明显.
2)叶轮叶片进口边前过流断面上的流动为复杂的三元流动，由于受到叶轮叶片的影响，沿圆周方向呈现一定周期性，且存在着回流域.
3)预旋越强，导叶出口圆周分速度也越大，不考虑边壁影响，圆周速度沿径向由内到外呈增大趋势，沿流动方向，圆周速度略有减小，与速度矩保持定理有一定的偏差.
4)从外特性看，通过增加预旋获得了陡降的H-Q曲线及平坦的P-Q曲线，并且效率在小流量到额定流量附近还略有提高，因此，通过预旋实现全扬程无过载是可行的.
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