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基于大涡模拟剖析轴流泵叶轮与导叶轴向间隙非定常流动的特性与影响

一、引言

1.1研究背景与意义

轴流泵作为一种重要的流体机械，凭借其低扬程、大流量的显著特点，在各类大型调水工程中扮演着不可或缺的角色，如举世瞩目的南水北调工程、城市防洪排涝工程以及农业水利灌溉等领域。在这些大型调水工程中，轴流泵承担着输送大量水体的关键任务，其性能的优劣直接关系到整个工程的运行效率、能耗以及稳定性。

轴流泵的核心部件包括叶轮和导叶，其中叶轮与导叶轴向间隙是影响轴流泵性能的重要因素之一。这一轴向间隙的大小不仅会对泵内的流场结构产生显著影响，还会改变流体的流动特性，进而影响泵的能量转换效率和运行稳定性。当轴向间隙不合适时，可能会导致叶轮出口与导叶进口之间的流动匹配不佳，引发流动分离、漩涡等不良现象，从而增加水力损失，降低泵的扬程和效率。此外，不合理的轴向间隙还可能引发叶轮与导叶之间的动静干涉，导致压力脉动加剧，增加机组的振动和噪声，严重时甚至会影响机组的安全运行。因此，深入研究轴流泵叶轮与导叶轴向间隙内的非定常流动特性，对于优化轴流泵的设计、提高其性能和运行稳定性具有重要的现实意义。通过揭示该间隙内非定常流动的机理和规律，可以为轴流泵的结构优化提供理论依据，指导工程师设计出更加高效、稳定的轴流泵，从而降低工程成本，提高水资源的利用效率，保障大型调水工程的安全、可靠运行。

1.2国内外研究现状

在轴流泵内流场计算方面，随着计算流体动力学（CFD）技术的飞速发展，国内外学者开展了大量研究。早期，研究主要集中在定常流动计算，采用雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程结合各种湍流模型，如标准k-ε模型、RNGk-ε模型和SSTk-ω模型等，对轴流泵内流场进行数值模拟。这些研究在一定程度上揭示了轴流泵内的基本流动特征，为轴流泵的设计和分析提供了重要参考。然而，由于RANS方程对湍流的时均处理，无法准确捕捉非定常流动现象，对于轴流泵内部复杂的非定常流动，如叶轮与导叶之间的动静干涉、间隙流动等，模拟结果存在一定局限性。

为了更准确地研究轴流泵内的非定常流动，大涡模拟（LES）方法逐渐得到应用。大涡模拟通过对大尺度涡进行直接求解，小尺度涡采用亚格子模型进行模拟，能够更真实地反映湍流的瞬态特性。王福军等人采用大涡模拟方法研究了轴流泵内部非定常流动，得到了不同工况下泵内水压力脉动结果，发现轴流泵内最大压力脉动发生在叶轮进口前，压力脉动频率主要受叶轮转频控制。黎耀军等人运用LES方法和滑移网格技术，对低比转数轴流泵的内部湍流进行数值计算，分析了不同工况下轮缘间隙泄漏涡形态及叶片近轮缘区压力脉动特性。这些研究表明，大涡模拟在揭示轴流泵内非定常流动特性方面具有独特优势。

然而，目前对于轴流泵叶轮与导叶轴向间隙非定常流动的研究仍存在不足。一方面，大部分研究主要关注叶轮与导叶的整体相互作用，对轴向间隙这一局部区域的非定常流动特性研究不够深入，未能全面揭示轴向间隙大小、工况变化等因素对间隙内流动的影响规律。另一方面，在数值模拟中，如何准确地模拟轴向间隙内的复杂流动，如间隙泄漏流、二次流等，以及如何验证模拟结果的准确性，仍然是亟待解决的问题。在实验研究方面，由于轴向间隙内流动测量的难度较大，相关的实验数据相对较少，难以对数值模拟结果进行充分验证和补充。

1.3研究内容与方法

本文基于大涡模拟对轴流泵叶轮与导叶轴向间隙内非定常流动展开研究，具体内容包括：首先，根据轴流泵的实际结构和运行参数，建立准确的三维模型，包括进水流道、叶轮、导叶和出水流道等部分，并对不同轴向间隙尺寸进行建模，以研究轴向间隙大小对非定常流动的影响。其次，运用大涡模拟方法对轴流泵全流场进行三维非定常数值模拟，通过设置合理的边界条件和求解参数，模拟不同工况下（如设计工况、小流量工况、大流量工况）轴流泵内部的流动情况，获取间隙内的速度场、压力场、湍动能等流动参数的瞬态分布。然后，对模拟结果进行详细分析，研究轴向间隙内非定常流动的特性，如间隙泄漏流的发展规律、二次流的形成机制、压力脉动的分布特征和频率特性等，并分析不同工况和轴向间隙尺寸对这些特性的影响。

在研究方法上，主要采用数值模拟与实验验证相结合的方式。数值模拟方面，选用专业的CFD软件，如ANSYSFluent或OpenFOAM，利用其强大的大涡模拟功能进行计算。在网格划分时，采用结构化或非结构化网格对模型进行离散，通过网格无关性验证确保网格质量满足计算精度要求。在实验验证方面，搭建轴流泵实验台，采用先进的测量技术，如粒子图像测速（PIV）技术测量流场速度分布，动态压力传感器测量压力脉动，将实验结果与数值模拟结果进行对比分析，验证数值模拟方法的准确性和可靠性，进一步完善对轴流泵叶轮与导叶轴