斜式轴流泵装置内流特性数值分析与验证

胡文竹，仝道斌，李忠斌，王瑞，杨帆, 3*

▪灌溉技术与装备▪

斜式轴流泵装置内流特性数值分析与验证

胡文竹1，仝道斌2，李忠斌1，王瑞2，杨帆1, 3*

（1.扬州大学水利科学与工程学院，江苏 扬州 225009；2.宿迁市宿城区水利局，江苏 宿迁 223800；3. 江苏省水利动力工程重点实验室，江苏 扬州 225009）

【】分析斜式轴流泵装置流道内部的流动特性。基于CFD技术对30°斜式轴流泵装置全流道进行三维数值模拟计算，明晰了不同流量工况时泵装置各过流结构的水力特性。肘形斜式进水流道出口存在明显的速度梯度，最优流量工况（1.0bep）时进水流道出口断面的轴向流速均匀度为93%，速度加权平均角为85.2°；随流量的增大，叶轮叶片高压区逐渐从进水边移向出水边，叶片表面压力呈规律性的梯度分布；导叶体出口断面的速度环量随流量的增大先减小后增大，最优流量工况（1.0bep）时导叶体出口断面的速度环量最小；平直管式出水流道弯管段的涡结构多为长条状，主要分布在弯管进口处和泵轴附近。斜式轴流泵内部流态相对均匀，肘形斜式进水流道能为叶轮提供良好的入流流态；斜式轴流泵装置模型与试验外特性基本一致，验证了数值模拟的有效性。

斜式轴流泵；泵装置；内流场；水力性能；数值模拟

0 引言

【研究意义】斜式轴流泵装置具有开挖深度小，流态平稳，效率较高的优点[1]，在平原地区的大中型低扬程泵站中得到广泛应用。随着我国对输配水工程及灌溉排涝要求的提高，对斜式轴流泵装置的水力性能也有了更高的要求。【研究进展】为此，国内外学者针对轴流泵装置的水力性能和压力脉动特性开展了大量的研究工作。王正伟等[2]对比了大型15°斜式轴流泵数值计算结果与实测结果，发现CFD技术能够准确预测正常工况和零扬程工况时泵装置的性能曲线、压力脉动、叶轮轴向水推力和径向力等参数。刘超等[3]利用CFD技术对高效“S”形轴伸贯流泵装置进行了全流道三维定常流动计算。吴晨晖等[4]通过试验与数值模拟相结合的方式研究不同导叶相对距离对“S”形轴伸式贯流泵装置的压力脉动特性。谢丽华等[5]通过物理实验及数值模拟研究了15°斜式轴流泵装置的能量特性、空化特性和压力脉动特性。吴东磊等[6]运用数值模拟的方法分析轴伸贯流泵内部的脉动特性，并通过真机试验进行可靠性验证。杨帆等[7]开展了“S”形下卧式轴伸贯流泵装置物理模型试验，分析了泵装置的能量性能和不同叶轮叶片安放角时的振动特性。王超越等[8]发现“S”形斜轴流泵出水流道存在偏流现象，通过泵装置模型试验来研究并揭示了偏流产生的原因和发展规律。

【切入点】学者们对贯流泵装置的研究多集中于竖井式贯流泵装置、平面“S”形轴伸贯流泵装置、斜式轴流泵装置的压力脉动、空化特性等，对于斜式轴流泵装置内流特性的研究不够。【拟解决的关键问题】本文以斜30°轴流泵装置作为研究对象，对不同工况时泵装置全流道进行三维数值模拟，重点探究不同工况时泵装置过流结构的内部流动规律，明晰斜式轴流泵装置的内流特性，以期为斜式轴流泵装置高效稳定运行及结构优化提供一定的参考。

1 计算模型及模拟方法

1.1 计算模型

30°斜式轴流泵装置由肘形斜式进水流道、叶轮、导叶体和平直管式出水流道4个部分组成，如图1所示。叶轮名义直径为1.68 m，叶轮的叶片数为4，叶顶间隙为1.5 mm，导叶体的叶片数为5，轮毂比为0.402，额定转速为250 r/min，最优工况流量bep为10.66 m3/s。

图1 30°斜式轴伸贯流泵装置的三维模型

1.2 模拟方法

采用ANSYS TurboGrid软件对叶轮和导叶体进行结构化网格划分，采用ICEM CFD软件对进、出水流道进行结构化网格划分。网格质量对30°斜式轴流泵装置的数值计算结果影响很大，通过角度值和雅克比行列式对网格质量进行检查，雅克比行列式值均大于0.4。叶轮和导叶体网格正交性分别在28°～155°和31°～156°之间，满足网格正交性在15°～165°之间的要求[9]。

30°斜式轴流泵装置数值计算选用RNG湍流模型，RNG模型考虑了高应变率或大曲率过流面等因素的影响，从而提高了模型在旋流和大曲率情况下的精度，适用于旋转坐标下的流动问题，且已被验证用于求解泵及泵装置的内流场[10-13]。采用壁面函数对流场近壁区域进行计算，+为表征近壁面第1层网格中心到壁面距离的无量纲数，+的大小影响数值模拟的精度。30°斜式轴流泵装置的肘形斜式进水流道+约为289，叶轮的+约为28，导叶的+约为53，平直管式出水流道的+约为201，均满足文献[14]对泵装置内部流动求解的要求。

边界条件设置：采用质量流进口条件，设置在进水延伸段进口面上；平直管式出水流道出口设置为静压出口，压力为一个标准大气压；固体壁面设置为无滑移边界条件；叶轮与进水流道、导叶体的交界面属于动静交界面，定常计算时采用Stage交界面，非定常计算时采用Transient Rotor Stator交界面，其余交界面均采用None交界面。

2 泵装置性能预测及验证

2.1 网格无关性及收敛性分析

在最优工况下对泵装置整体进行网格无关性分析，表1为相同控制方程和边界条件下不同网格数量下泵装置的效率。从表1可以看出，泵装置效率随网格数量的增加而增加，当网格数量增加至483万时，效率增加值在0.3%内，泵装置整体网格数量取483万，满足网格数量无关性的要求。

表1 网格无关性

2.2 模拟与试验验证

30°斜式轴流泵装置的能量性能试验在江苏省高等学校重点实验室的高精度封闭循环试验台上进行，试验台如图2所示。试验台主要包括压力进水箱、压力出水箱、电磁流量计、控制闸阀及管道等。

图2 高精度封闭循环试验台示意图

为了验证数值模拟的可靠性，将原型泵装置的几何尺寸按值相等原则换算至模型[15]，换算后的物理模型泵装置的叶轮转速为1 400 r/min，叶轮名义直径为0.3 m，过流结构的原型按比尺0.178 6缩放至模型。在叶片安放角0°的情况下，采集不同流量工况时泵装置模型的扬程和效率，采用等效率换算方法将泵装置物理模型试验结果换算至原型[16]，换算后的物理模型性能结果与数值模拟的能量性能结果对比如图3所示。30°斜式轴流泵装置模型预测性能曲线与试验曲线的变化趋势基本一致，吻合度较好，表明了30°斜式轴流泵装置数值模拟的有效性和可靠性。

图3 模型试验和数值模拟外特性对比

3 数值计算结果分析

3.1 30°斜式轴流泵装置全流场分析

30°斜式轴流泵装置不同流量时的全流道流线如图4所示。肘形斜式进水流道内部流态好，流线平顺，叶轮旋转将能量传递给水流，水流流速增大，在平直管式出水流道内呈螺旋状前进。导叶体回收了水流动能，降低流速，使原本螺旋前进的水流轴向前进，直至流出出水流道。随着流量的变大，肘形斜式进水流道流态平顺，平直管出水流道水流由螺旋状流动逐渐变得平顺。

图4 泵装置全流道三维流线图

3.2 肘形斜式进水流道内流特性分析

为了解肘形斜式进水流道内水流流动特征，选取特征断面对肘形斜式进水流道进行流速分析，特征断面1-1为过流道中间点的纵断面，为明晰肘形斜式进水流道内从肘形渐变段到出口段的流速变化规律，取特征断面2-2、断面3-3于进水流道弯肘处及靠近进水流道出口处，且垂直于断面1-1，两断面的中心点与肘形斜式进水流道出口断面中心点的绝对距离分别为0.56、1.904，特征断面示意图如图5所示。

图 5 肘形斜式进水流道特征断面示意图

图6为肘形斜式进水流道断面1-1速度云图。不同流量时水流流速从进水流道进口向出口方向呈递增的趋势，弯肘处的速度梯度沿着叶轮轴线往出口方向不断增大。进水流道出口水流流速随着流量的增大而增大，进水流道出口处断面形状为圆环状，断面面积较小，叶轮旋转给水流提供能量，因此进水流道出口处的流速较进口处明显增加。

图7为不同流量工况时，肘形斜式进水流道断面2-2、断面3-3速度云图。2个断面的流速随流量的增加而增加，流速分布状态关于肘形斜式进水流道断面1-1对称。断面2-2靠近流道顶面处，水流受低压影响，产生较大流速。流道顶部断面的水流流速较大，往流道底面流速不断减小。断面3-3水流高速区呈月牙状，断面中心存在低速区，这与断面中心靠近导水帽顶端，水流受阻做绕流运动有关。

图7 肘形斜式进水流道断面2-2、断面3-3速度云图

引入轴向流速均匀度和速度加权平均角分析肘形斜式进水流道出口水力性能，计算式参考文献[17]。图8、图9分别为肘形斜式进水流道出口断面在1个旋转周期内的轴向流速均匀度和速度加权平均角。在1个旋转周期内，出口断面的轴向流速均匀度和速度加权平均角比较稳定，仅存在极小范围的波动。1.0bep工况时，肘形斜式进水流道出口断面的水力性能最好，轴向流速均匀度为93%，速度加权平均角约为85.2°。大流量工况时水流流动更加充分，流速发展均匀，因此大流量的流速均匀度和速度加权平均角均比小流量好。在1.0bep工况时，肘形斜式进水流道为叶轮提供了良好的进水条件，有利于叶轮高效稳定地运行。

图8 进水流道出口轴向流速均匀度

图9 进水流道出口断面速度加权平均角

3.3 叶轮和导叶体内流特性分析

在旋转运行状态，叶轮域水流流态复杂，叶片表面承受了复杂的压力。图10为叶轮压力面的压力云图。0.8bep工况时，叶片靠近轮毂处存在较大范围的低压区，由于叶片根部存在脱流、二次回流等不良流态，根部存在极小范围的高压区，叶片的高压区位于叶片进水边。1.0bep工况时，存在于叶根处的低压区范围明显减小，高压区转移至叶片出水边，叶片进水侧高压区范围大幅减小。1.2bep工况时，压力呈梯度分布，从进水边向出水边压力逐渐增加，高压区发展至叶片出水边。

图10 叶轮压力面压力云图

为了解导叶体对水流的影响，取导叶体3个特征断面进行分析。特征断面1-1位于导叶体进口处，距离叶轮中心点轴向距离0.179，断面2-2位于导叶体中间处，距离叶轮中心点轴向距离0.417，断面3-3位于导叶体出口处，距离叶轮中心点轴向距离0.690，其断面示意图如图11所示。

图11 导叶体特征断面示意图

图12—图14分别为导叶体3个特征断面在不同流量时压力分布云图。断面1-1受导叶体叶片整流影响，形成5个近乎等间距分布于导叶体轮缘处的高压区，随着流量的增大，高压区的压力值和分布范围均有所下降。导叶体叶片将断面2-2分隔成5个区域，在0.8bep工况时区域内存在明显的高压区与低压区，随着流量的变大，低压区范围逐渐缩小，高压区范围扩大。由于导叶体的能量回收作用，水流部分动能转化为压能，断面3-3的压力随流量的增大逐渐增加，且高压区范围向导叶体轮缘附近收缩，低压区范围逐渐扩大。断面3-3 压力分布未表现出明显的规律性，说明断面3-3处水流受导叶体叶片的影响较小。随着水流在导叶体内的流动发展和导叶体的能量回收作用，断面2-2到断面3-3的压力逐渐趋于均匀化。

图13 导叶体特征断面2-2压力云图

图14 导叶体特征断面3-3压力云图

水流通过导叶体被回收了部分动能，速度环量减少，但通常水流流出导叶体时仍具有一定的速度环量，剩余的速度环量会对出水流道水力性能产生影响，因此对导叶体出口断面速度环量进行分析，速度环量的计算式参考文献[18]。

图15反映了不同流量工况时导叶体出口断面速度环量，整体变化趋势先减小后增大，在1.0bep工况时导叶体出口断面速度环量最低。0.7bep工况时，速度环量最大为17.00 m2/s，是1.0bep工况的33.66倍；1.2bep工况时，速度环量为6.76 m2/s，是1.0bep工况的13.52倍。1.0bep工况时导叶体回收动能效果最好，剩余速度环量少，有效改善平直管式出水流道的入流条件。

图15 导叶体出口断面速度环量

3.4 平直管式出水流道内流特性分析

图16是出水流道的纵剖面速度云图。随着流量变大，出水流道内高压区范围不断扩大。0.8bep工况时，靠近泵轴处存在局部高流速区。当流量增加至1.0bep工况时，高流速区范围扩大至与低流速区范围相当，流量增加至1.2bep工况时，低流速区仅存在于泵轴附近，且此时流道内流速分布均匀。

图16 平直管式出水流道速度云图

受导叶体出口剩余速度环量以及弯管的结构特征影响，平直管式出水流道在弯管处流态复杂，易产生旋涡，增加水力损失。参考文献[19-20]，采用准则法对1.0bep工况时的弯管内一个非定常周期内的瞬态流动特性进行分析，的阈值取258 s-2。图17为不同时刻的弯管段涡结构图。弯管内存在较多涡结构，且涡结构以长条状为主，分布于弯管进口和泵轴附近，说明刚进入弯管的水体受到导叶体的剩余环量和泵轴阻碍的影响。在泵轴周围存在着长条螺旋状涡结构，涡结构从弯管进口一直绕泵轴向出口发展，大多分布在泵轴壁面附近。随着水流朝弯管出口的方向流动，涡结构的数量明显减少。

图17 平直管式出水流道弯管段涡结构图

4 结 论

1）肘形斜式进水流道内部流态好，在弯肘段，水流受离心力影响，在顶面和底面之间存在明显的速度梯度。不同流量工况时，进水流道出口断面的轴向流速均匀度均大于84%，速度加权平均角大于82o。最优工况（1.0bep）时轴向流速均匀度和速度加权平均角最大，分别为93%和85.2°。

2）随着流量增加，叶片轮毂处的低压区范围逐渐减小，高压区从叶片进水边移至叶片出水边，1.2bep流量工况时，叶片压力呈规律性的梯度分布。随着流量的增大，导叶体出口面速度环量先减小后增大，在最优流量工况（1.0bep）时导叶体出口断面速度环量最小，导叶体回收动能效果最好。

3）基于准则，对最优流量工况（1.0bep）时平直管出水流道的弯管段内的旋涡结构进行可视化分析，涡结构主要分布在弯管进口处和泵轴附近，且涡结构以长条状为主。

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Numerical Analysis of Internal Flow in a Slanted Axial-flow Pump

HU Wenzhu1, TONG Daobin2, LI Zhongbin1, WANG Rui2, YANG Fan1,3*

(1.College of Hydraulic Science and Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225127, China;2. Sucheng Water Conservancy Project Construction Service Center, Suqian 223800，China;3.Hydrodynamic Engineering Laboratory of Jiangsu Province, Yangzhou 225009, China)

【】Slanted axial-flow pump has the advantages of small excavation depth, stable flow pattern and high efficiency. It has been widely used in large and medium-sized low head pumping stations. With the improvement in water conveyance and distribution projects and irrigation and drainage in China, the requirement for hydraulic performance of the slanted axial-flow pump has increased. The objective of this paper is to numerically analyze internal flow in the flow channel in the slanted axial-flow pump.【】The 3D numerical analysis was based on CFD for a 30° slanted axial-flow pump, from which we obtained the internal geometry of the flow pathways for different flow conditions. We then analyzed the section velocity nephogram, the axial uniformity of the outlet and the weighted average velocity angle of the elbow inlet channel. We also showed the pressure distribution over the impeller blades and sections of guide vanes, as well as the vortex structure distribution in the straight pipe outlet channel.【】There was a noticeable velocity gradient at the outlet of the elbow inlet channel. Under optimal flow condition, the uniformity of the axial velocity in the outlet section of the inlet channel was 93%, and the velocity weighted average angle was 85.2°. With the increase in flow rate, the high pressure area over the impeller blade shifted from the inlet towards the outlet, and the pressure over the blade was regularly distributed. As the flow rate increased, the velocity circulation in the outlet section in the guide vanes decreased first followed by an increase, while the velocity circulation at the outlet section of the guide vane was the lowest under 1.0bepflow condition. Most vortex bands in the elbow section of the straight pipe outlet channel were long strips, distributed predominately at the inlet of the elbow near the pump shaft.【】The flow pattern inside the slanted axial flow pump was relatively uniform, and the elbow inlet channel can provide a good flow pattern in the impeller. Verification revealed that the model for the slanted axial-flow pump gave results consistent with experimental data.

slanted axial-flow pump; pump installation; internal flow; hydraulic performance; numerical simulation

TV675

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021247

1672 - 3317（2021）11 - 0066 - 07

2021-06-12

国家自然科学基金项目（51609210）；江苏省高校自然科学研究重大项目（20KJA570001）；江苏省水利科技项目（2020029）；江苏省研究生实践与创新项目（SJCX21_1583）

胡文竹（1996-），女。工程师，主要从事低扬程泵站内流特性研究。E-mai: huhu02@126.com

杨帆（1985-），男。副教授，硕士生导师，主要从事低扬程泵装置内流机理及优化研究。E-mail: fanyang@yzu.edu.cn

胡文竹, 仝道斌, 李忠斌, 等. 斜式轴流泵装置内流特性数值分析与验证[J]. 灌溉排水学报, 2021, 40(11): 66-72.

HU Wenzhu, TONG Daobin, LI Zhongbin, et al. Numerical Analysis of Internal Flow in a Slanted Axial-flow Pump[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(11): 66-72.

责任编辑：赵宇龙