离心泵进口回流漩涡特性浅析

摘要：应用ANSYS CFX软件对不同工况下低比转速离心泵进口处的三维湍流流场进行了数值模拟。采用标准k-ε模型对不同工况下的进口流场进行定常模拟，并对其结果进行分析，得到了各工况下回流漩涡的强度、位置、形态等静态特性。在此基础上，对进口流场进行了大涡模拟，分析了不同工况下在叶轮转动的过程中回流漩涡的数量、强度、位置等特性的变化，并描述了回流漩涡随叶轮转动从发生、发展、衰减到消失的全过程。结果表明，模型泵回流发生的关键流量点为0.7Qd。回流发生后，随着流量的减小，回流强度增加，回流漩涡的体积变大，漩涡中心向进水管内移动，堵塞部分流道。回流漩涡随叶轮一起绕进水管中心线旋转，且不同流量下出现的漩涡数量和漩涡强度不同。当流道扫过蜗壳出水断面时，流道进口回流初生，在一个叶轮旋转周期内，回流完成从初生、发展、衰减到消失的全过程。随着各流道内相对速度和压力梯度的变化，流道进口回流漩涡呈现不同形态。

关键词：离心泵;进口回流;数值模拟;漩涡特性

0    引言

离心泵在小流量工况下运行时，在叶轮进口处会出现回流现象。流体从叶轮中倒流出来进入进水管，又从靠近叶轮轮毂处重新回到叶轮内。回流的产生会消耗能量，降低水泵的效率。同时，回流漩涡会导致流量和压力脉动，加剧叶轮内部的汽蚀，进而产生振动和噪声[1]。

回流漩涡的存在是回流对水泵造成不利影响的根本原因，为了了解回流漩涡的特性，认识回流漩涡的产生机理和变化规律，国内外学者对离心泵进口回流漩涡进行了大量研究。X.Y.Qiao和H.Horiguchi[2]等人采用大涡模拟，对诱导轮前回流的漩涡进行了研究，分析了回流形态、结构、数量以及流量不同时回流区大小的变化。T.Kimura[3]对诱导轮的几何参数对回流的影响进行了研究，研究发现，回流区的大小与上游流体角动量的大小有明显关系。K.Yokota[4]在可以自由调节主流轴向速度和漩涡切向速度的新式试验台上，利用小气泡进行了可视化试验，研究了回流漩涡的结构、数量、涡核的位置和漩涡对流场速度分布的影响。Y.Tsujimoto[5]和K.Yamamoto[6]等人研究了进口回流引起的漩涡汽蚀、旋转汽蚀及其对于汽蚀稳定性所造成的影响。

上述研究主要集中在诱导轮前的回流方面，目前对离心泵叶轮进口回流的研究较少。两种回流的产生机理及特性都有所不同，且上述研究没有得到叶轮转动过程中回流漩涡的变化规律，尤其是未能描述回流漩涡从发生、发展、衰减到消失的整个过程。

为了更加深入地了解回流漩涡的动态特性，本次通过定常数值模拟，对不同工况下回流漩涡的形态、强度和位置等静态特性进行了分析探讨，并采用大涡模拟，分析叶轮转动过程中回流漩涡的数量和强度变化等动态特性，从而对回流漩涡产生的机理和变化规律进行研究，以期改善及解決目前存在的问题。

1    模拟模型

模型泵为单级单吸卧式蜗壳离心泵，设计参数为：额定流量Q=25 m3/h，扬程H=32 m，转速n=2 900 r/min。叶轮为闭式叶轮，叶片数为6，叶轮出口直径D2=165 mm，叶轮出口宽度b2=7 mm，叶轮进口直径Dj=65 mm，蜗壳基圆直径D3=176 mm。计算区域为进水管、叶轮和蜗壳组成的流道，如图1所示。

2    回流漩涡静态特性分析

随着流量的变化，叶轮进口回流漩涡的大小、形态、强度和数量都会有所不同，这些特性一般被称为回流漩涡的静态特性。为了掌握回流漩涡的静态特性，需要对不同工况下的叶轮进口流场进行定常数值模拟。

2.1    计算条件

采用ANSYS CFX软件进行计算。计算模型采用k-ε湍流模型，进口边界条件采用速度进口，进口湍动能kin和耗散率εin分别为：

出口边界条件为压力出口，固体壁面为无滑移边界条件，给定固体壁面粗糙度。

2.2    计算结果分析

由于叶轮进口回流主要发生在小流量工况下，因此文中选取了从0.1Qd到0.8Qd共8个工况的叶轮进口流场进行定常数值模拟，并从中选取0.1Qd、0.3Qd、0.5Qd、0.6Qd、0.7Qd、0.8Qd这6个漩涡特性比较典型的工况进行分析，如图2所示。

观察图2可得，流量不同，漩涡的强度、形态和位置都有所不同。分析图中漩涡的强度和位置可以发现，当Q=0.8Qd时，漩涡只出现在叶轮流道内，未超出叶片进口边，此时叶轮进口回流还没有形成。当流量减小到Q=0.7Qd时，漩涡伸出叶轮流道，漩涡中心处于叶片进口边前，进口回流正式形成。随着流量的继续减小，漩涡强度逐渐增大，漩涡中心向进水管上游移动，漩涡体积增大并阻塞流道。

回流漩涡都位于靠近叶轮前盖板的一侧，漩涡的中心都集中在叶轮流道中线到前盖板之间的区域内。

3    回流漩涡动态特性分析

回流漩涡不仅随流量的变化而变化，而且在叶轮转动的过程中，其强度和形态也都会发生改变。随着叶轮的旋转，回流漩涡在不同流道的进口处产生、发展、衰减并最终消失。回流漩涡在叶轮旋转过程中的变化特性称为回流漩涡的动态特性。对不同工况下的叶轮进口流场进行大涡模拟，通过分析不同时刻的漩涡特性对其动态特性进行研究。

3.1    计算条件

大涡模拟采用Smagorinsky模型，PISO算法。进口边界条件采用质量流量边界，出口边界条件选择平均静压边界。固定壁面采用无滑移壁面边界条件，近壁区采用标准壁面函数。叶轮每转0.5°为一个时间步长，每个时间步长为0.000 028 73 s，叶轮旋转4个周期，总时间为0.083 s，总时间步数为2 880步。

3.2    计算结果分析

在叶轮的一个转动周期内，选取不同时刻叶轮进口截面处的静压分布进行分析，如图3和图4所示，图中蓝色的低压部分被认为是叶轮进口处出现的回流漩涡，压力越低可认为回流漩涡强度越大。由图3可得，当Q=0.6Qd时，只出现一个回流漩涡，漩涡强度较弱。漩涡随叶轮一起，绕叶轮进口截面中心进行旋转，且漩涡旋转的方向和速度都与叶轮相同，且在旋转的过程中，漩涡逐渐增大。

当Q=0.4Qd时，根据上节分析可知，此时回流强度变大，观察图4可发现，此时不仅回流漩涡的体积变大，而且在叶轮旋转的过程中，出现了不止一个回流漩涡。选择叶轮的两个旋转周期作为分析时长，使得回流漩涡能够稳定出现，以便于观察。

通过分析可发现，回流漩涡首先出现在一个流道内，此时漩涡的强度较大。随着叶轮的旋转，在相邻的流道进口处会逐渐产生另外一个回流漩涡。之后两个漩涡均会稳定存在，但是漩涡的大小和强度都会随着叶轮的旋转发生变化。两个漩涡均随叶轮一起，绕着叶轮进口截面中心旋转。

分析叶轮进口截面上的静压分布可得到在叶轮旋转过程中流量不同时回流漩涡的数量和形态的变化规律，但是要了解回流漩涡发生、发展、消失的全过程及其原因，则需要对回流漩涡的涡强度变化进行分析。

在0.3Qd工况下，叶轮进口处出现两个以上的回流漩涡，可以形象地展示不同位置漩涡形态交替变化的全过程。因此以0.3Qd工况为例，说明在一个叶轮旋转周期的时长内回流漩涡发生和发展的过程，如图5所示。

从图5中可观察到，随着叶轮转动，在流道1经过蜗壳的出水断面的过程中，在进口前开始出现回流漩涡，漩涡随叶轮旋转，稳定出现在流道进口處，如图5（a）所示。当流道1完全扫过蜗壳出水断面后，回流漩涡强度开始减小，此时流道2进口前的涡强度开始逐渐增强，如图5（b）所示。叶轮继续旋转，流道2进口处的涡强度增强且范围扩大，当强度增大到一定值时，在流道2进口处出现明显的回流漩涡，此时流道3扫过出水断面，其进口处同样出现回流漩涡，如图5（c）所示。叶轮继续旋转，流道1、2进口处的漩涡强度逐渐减弱，流道3进口的回流漩涡逐渐增强。当叶轮恰好转动一周时，3个流道内进口处的漩涡已经减弱，此时扫过蜗壳出水断面的流道进口处出现漩涡，如图5（d）所示，开始下一轮循环。

上述现象是叶轮旋转一周时间内，回流漩涡变化的全过程。为了掌握回流漩涡的产生机理和变化规律，需要对漩涡变化全过程的各个阶段进行分析：

（1）在流道1经过蜗壳出水断面过程中，由于该断面为蜗壳各断面中压力最大的一个，因此流道1为所有流道中压力梯度最大的。由于此时流量小于设计流量，流体进入流道的入流角小于叶轮的进口角，使得流体不能平滑地进入流道。此时叶轮流道喉部的相对速度w1t与叶片进口叶顶处的相对速度w1之比w1t/w1增大，当其比值增大到一定值时，液流在叶片表面发生分离，再加上较大的压力梯度的作用，会在叶片工作面上产生脱流。

（2）脱流的液流在离心力等的作用下返回叶轮进口，形成进口回流漩涡。流道1扫过出水断面后，由于压力梯度减小，漩涡在一定的惯性作用下继续存在一段时间，但是强度逐渐减弱。

（3）流道1通过出水断面后，流道2开始扫过过水断面，该流道内的压力梯度达到最大。但此时流道1的回流漩涡阻塞了流道1，导致流道2中的流量增大，这使得流入流道2流体的入流角增大，相对速度增大，延缓了漩涡的形成，因此可以观察到流道2进口的涡粘性强度变大但未能形成完整漩涡。

（4）叶轮继续旋转，流道1进口的漩涡减小，过流能力增强，使得流道2的流量相应减少，相对速度减小，流动分离增强，因此在流道2进口处形成漩涡。此时流道3扫过蜗壳出水断面，开始形成微弱回流漩涡。

（5）在流道3扫过出水断面的过程中，其进口处漩涡强度逐渐增大，流道1、2进口的漩涡则逐渐减弱。

（6）在这种情况下，由于相邻3个流道进口都存在不同强度的漩涡，流道的阻塞已经相当严重，迫使流体更多地流入其他流道，造成这些流道内液流角的增大，相对速度增大，有效地减少了回流在其他流道进口的发生。

（7）随着叶轮旋转，1、2、3流道内的压力梯度逐渐降低，回流漩涡也逐渐减弱直至消失。当有流道扫过蜗壳出水断面时，在其进口处又会发生回流现象，此时叶轮恰好旋转一周。

前述分析研究了离心泵回流发生后，叶轮旋转的第一个周期内的回流变化情况，由于漩涡的存在有一定的惯性，当叶轮旋转一个周期后，还会有微弱的漩涡残留，此时的流场未能完全恢复到发生回流前的状态，如图5（d）所示。这种微弱影响在叶轮继续旋转时会进行叠加，并对之后的漩涡变化产生影响，使之后的回流漩涡变化产生与叶轮第一个旋转周期不同的规律。

通过上述分析得出，叶轮内相对速度的变化和流道内压力梯度是回流产生的先决条件，两者的共同作用造成了回流漩涡形态的变化。根据此结果，通过降低离心泵的转速或增加离心泵入口压力，可以使离心泵叶轮回流漩涡现象消失，以达到泵运行更加稳定可靠的目的。

4    结语

本次通过对不同工况下的叶轮进口流场进行定常数值模拟和大涡模拟，研究了进口回流漩涡在不同工况下的静态特性及其在叶轮旋转过程中的动态特性，描述了回流漩涡随叶轮旋转过程中在不同流道进口处从产生、发展、衰减到消失的全过程，并在此基础上探讨了回流漩涡的产生机理和变化规律。

研究证明，不同工况下进口回流漩涡的形态、强度和位置都会发生变化。回流漩涡位于靠近叶轮前盖板一侧时，漩涡的中心都集中在叶轮流道中线到前盖板之间的区域内。随着流量的减小，回流漩涡的强度增强，体积增大并阻塞流道，漩涡中心向上游移动，回流漩涡的数量增加。回流漩涡会随叶轮旋转，在旋转过程中不同流道进口前的回流漩涡其强度和形态都会发生变化，完成从产生、发展到衰减、消失的全过程。笔者分析后认为，叶轮内相对速度和流道内压力梯度的变化两者共同对回流的产生和变化造成影响。

[参考文献]

[1] GüLICH J F.Centrifugal pumps[M].New York：Springer，2010.

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[6] YAMAMOTO K，TSUJIMOTO Y.Backflow vortex cavitation and its effects on cavitation instabilities[J]. International Journal of Fluid Machinery and Systems，2009，2（1）：40-54.

收稿日期：2021-01-22

作者簡介：刘锦波（1986—），男，河南开封人，助理工程师，研究方向：机械工程。