魏清順 孫西歡

摘要：為研究導(dǎo)流器葉片數(shù)對(duì)潛水泵性能的影響規(guī)律，基于黑箱理論，運(yùn)用Fluent軟件對(duì)同一葉輪與不同葉片數(shù)導(dǎo)流器組合后的潛水泵進(jìn)行性能測(cè)試與流場(chǎng)仿真計(jì)算。通過(guò)分析導(dǎo)流器出口靜壓均值、揚(yáng)程和效率，找出其內(nèi)部流場(chǎng)的分布規(guī)律，同時(shí)在水泵開(kāi)式試驗(yàn)臺(tái)上實(shí)測(cè)。結(jié)果表明：隨著導(dǎo)流器葉片數(shù)的增加，潛水泵的揚(yáng)程和效率都呈遞增趨勢(shì)；對(duì)于原型潛水泵，水力性能較好的導(dǎo)流器葉片數(shù)閾值區(qū)間為；仿真值與實(shí)測(cè)值吻合較好。

關(guān)鍵詞：潛水泵；黑箱理論；仿真；導(dǎo)流器；葉片數(shù)

中圖分類號(hào)：TV223

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.07.031

井用潛水泵作為抽取地下水的主要通用設(shè)備，在農(nóng)業(yè)灌溉中被廣泛使用，是灌溉系統(tǒng)首部樞紐的重要組成部分，其性能的好壞直接影響農(nóng)業(yè)灌溉T程的T作效率及其穩(wěn)定性。目前農(nóng)業(yè)灌溉中使用的潛水泵機(jī)組效率普遍不高，水泵性能的有效提升成為亟需解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

潛水泵中最主要的兩大過(guò)流部件是葉輪和導(dǎo)流器。導(dǎo)流器作為能量轉(zhuǎn)換裝置，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不但會(huì)影響水泵的性能，同時(shí)還決定水泵的結(jié)構(gòu)型式。液體在水泵內(nèi)部的流動(dòng)是通過(guò)其外部特性加以反映的，而液體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)又與過(guò)流部件的結(jié)構(gòu)型式和幾何參數(shù)密切相關(guān)。潛水泵水力損失的40%～50%是發(fā)生在導(dǎo)流器內(nèi)部的 ，可見(jiàn)導(dǎo)流器的合理設(shè)計(jì)對(duì)潛水泵性能的提升有重要影響。

鑒于水泵內(nèi)部流場(chǎng)分布的復(fù)雜性，且受測(cè)試技術(shù)手段和成本的限制，利用計(jì)算機(jī)軟件模擬流場(chǎng)并對(duì)流場(chǎng)實(shí)施優(yōu)化這一方法被廣泛采用。目前，研究人員主要針對(duì)離心泵葉輪和蝸殼展開(kāi)流場(chǎng)計(jì)算和特性研究，對(duì)于使用導(dǎo)流器的潛水泵內(nèi)部流動(dòng)研究較少，對(duì)導(dǎo)流器和葉輪的適應(yīng)性研究則更少。

筆者基于黑箱理論，運(yùn)用Fluent軟件對(duì)同一葉輪與不同葉片數(shù)導(dǎo)流器組合后的潛水泵進(jìn)行性能測(cè)試與流場(chǎng)仿真計(jì)算。在給定導(dǎo)流器進(jìn)口條件的基礎(chǔ)上，通過(guò)分析導(dǎo)流器出口揚(yáng)程、效率和靜壓均值，找出其內(nèi)部流場(chǎng)的分布規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片數(shù)這一結(jié)構(gòu)要素的準(zhǔn)確了解，為改進(jìn)和開(kāi)發(fā)高性能的潛水泵提供依據(jù)。

1黑箱理論

系統(tǒng)控制論中，將內(nèi)部狀況無(wú)法從外部進(jìn)行直接觀測(cè)的未知區(qū)域或系統(tǒng)統(tǒng)稱為“黑箱”。黑箱理論的核心思想是自然界中的事物均具有廣泛的相互聯(lián)系，并非絕對(duì)獨(dú)立。黑箱系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和參數(shù)變化，可通過(guò)分析它的輸入和輸出變量，推測(cè)其內(nèi)部復(fù)雜系統(tǒng)的規(guī)律，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)黑箱的掌握與控制?；诤谙淅碚摰摹昂谙溲芯糠ā笔翘剿魑粗挛锏闹匾侄?，尤其對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)或無(wú)法清晰分解的系統(tǒng)研究，該方法提供了一種有效的技術(shù)手段。

潛水泵的性能和應(yīng)用范圍受到其內(nèi)部流場(chǎng)流動(dòng)狀況的制約，導(dǎo)流器作為潛水泵主要的結(jié)構(gòu)部件直接影響其流場(chǎng)分布，導(dǎo)流器流場(chǎng)特性成為影響潛水泵性能的一個(gè)決定性因素。流場(chǎng)分布具有復(fù)雜性，且無(wú)法進(jìn)行直接觀測(cè)，如何判定導(dǎo)流器內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化是一個(gè)典型的黑箱問(wèn)題。

基于黑箱理論，在給定導(dǎo)流器進(jìn)口變量的基礎(chǔ)上，通過(guò)Fluent軟件模擬計(jì)算，找出導(dǎo)流器內(nèi)部三維流場(chǎng)的分布規(guī)律，并分析導(dǎo)流器出口變量與進(jìn)口變量的關(guān)系，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)要素影響潛水泵性能的準(zhǔn)確把控。

2導(dǎo)流器內(nèi)流場(chǎng)的仿真

2.1仿真方案及模型構(gòu)建

2.1.1仿真方案

以250QJ125型灌溉用深井潛水泵為研究對(duì)象，其比轉(zhuǎn)速ns為244，流量Q為125m^3/h ，單級(jí)揚(yáng)程H為16m。在葉輪不變的情況下，選取不同葉片數(shù)的導(dǎo)流器，分析其對(duì)潛水泵性能的影響。由無(wú)滑移理論可知，導(dǎo)流器性能的優(yōu)劣與其葉片數(shù)量關(guān)系緊密，葉片越多，其性能越好，但設(shè)置過(guò)多的葉片會(huì)阻礙流體在導(dǎo)流器內(nèi)的流動(dòng)；相反，葉片較少，則會(huì)降低導(dǎo)流器的整體性能，影響其作用的發(fā)揮。因此，確定導(dǎo)流器葉片數(shù)要根據(jù)其他因素進(jìn)行綜合考慮。原型潛水泵中導(dǎo)流器葉片數(shù)為7，為研究葉片數(shù)對(duì)潛水泵性能的影響，以葉片數(shù)作為研究變量（分別取5、6、7、8、9、10）進(jìn)行分析，其他主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

2.1.2模型構(gòu)建

應(yīng)用AutoCAD軟件建立包含葉輪和導(dǎo)流器的潛水泵全流道幾何模型，采用非均勻有理B樣條（ Non-Uniform Rational B -Splines，簡(jiǎn)稱NURBS）方法控制葉輪、導(dǎo)流器和其他水力部件實(shí)體曲面，再結(jié)合三維操作的拉伸、旋轉(zhuǎn)、鏡像等工具創(chuàng)建三維實(shí)體造型。圖1為潛水泵計(jì)算模型。

2.2仿真方法

2. 2.1網(wǎng)格劃分及參數(shù)設(shè)置

針對(duì)潛水泵計(jì)算模型，采用TrueGrid軟件生成全流道計(jì)算網(wǎng)格。為提高計(jì)算精度和加速收斂，對(duì)葉輪和導(dǎo)流器模型的壁面進(jìn)行細(xì)化處理。與此同時(shí)，利用TrueGrid的診斷工具對(duì)劃分的網(wǎng)格模型進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，最終網(wǎng)格扭曲率均低于0.9。

仿真計(jì)算時(shí)以水為介質(zhì)，采用時(shí)均模擬法，選取k-e湍流模型、分離隱式求解器和流場(chǎng)壓力與速度耦合的SIMPLEC算法。具體參數(shù)如下：湍動(dòng)能k為0.5、耗散率ε為0.3、壓力松弛因子為0.3、速度松弛因子為0.7。對(duì)于內(nèi)部動(dòng)靜部件的數(shù)據(jù)交互選用多參考系模型。

2.2.2進(jìn)口變量設(shè)定

依據(jù)黑箱理論，在分析導(dǎo)流器葉片數(shù)對(duì)潛水泵性能影響時(shí)，需給定導(dǎo)流器進(jìn)口變量。導(dǎo)流器的進(jìn)口變量是由前端的葉輪出流所決定的，而葉輪出流紊亂且無(wú)法直接測(cè)量?；诖?，可預(yù)先給定潛水泵葉輪的進(jìn)口變量，通過(guò)Fluent軟件計(jì)算包含葉輪和導(dǎo)流器的潛水泵全流道三維模型，將模擬計(jì)算出的葉輪出流作為導(dǎo)流器的進(jìn)口變量，進(jìn)一步對(duì)導(dǎo)流器內(nèi)部三維流場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算。

潛水泵葉輪的進(jìn)口采用無(wú)旋流，其進(jìn)口變量為垂直于進(jìn)口斷面的軸向速度。設(shè)計(jì)工況下，潛水泵的進(jìn)口流量為定值，則該速度大小為已知且恒定。

3結(jié)果分析

3.1導(dǎo)流器出口斷面靜壓均值變化

圖2為不同葉片數(shù)導(dǎo)流器出口斷面的靜壓均值，由圖2可知，不同葉片數(shù)的導(dǎo)流器對(duì)應(yīng)的出口斷面靜壓亦不同，即導(dǎo)流器轉(zhuǎn)換液流能量的效果與葉片數(shù)有關(guān)聯(lián)。原型潛水泵導(dǎo)流器具有7個(gè)葉片，出口處的靜壓均值為163kPa，隨著葉片數(shù)的增加，出口斷面靜壓均值有所增大，9個(gè)葉片時(shí)的靜壓均值達(dá)到最大，為170kPa。如繼續(xù)增加葉片數(shù)量，其斷面靜壓均值不但不會(huì)增加，反而開(kāi)始有所下降，說(shuō)明導(dǎo)流器葉片不是越多越好。與原型7個(gè)葉片相比，若減少葉片數(shù)，出口處?kù)o壓均值呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，當(dāng)葉片數(shù)為5時(shí)，斷面靜壓均值最小，表明這種情況導(dǎo)流器轉(zhuǎn)換能力最差。

圖3為導(dǎo)流器出口斷面靜壓分布云圖，由圖3可知，出口斷面靜壓隨著導(dǎo)流器葉片數(shù)的增加而不斷增大。其原因是葉片少，導(dǎo)流器對(duì)液流的約束就小，能量轉(zhuǎn)化的效果也就較差，最終表現(xiàn)為出口斷面靜壓值??；當(dāng)葉片數(shù)不斷增加時(shí)，導(dǎo)流器對(duì)液流的約束就會(huì)逐漸加強(qiáng)，限制了液流在流道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，在整個(gè)過(guò)程中流態(tài)穩(wěn)定，不容易產(chǎn)生脫流和旋渦，能量損失少，對(duì)水泵性能的提升比較有利。一定范圍內(nèi)，這種狀態(tài)隨葉片的增多而表現(xiàn)得越加明顯。無(wú)限制地增加導(dǎo)流器葉片數(shù)，將使得流道狹窄、過(guò)流斷面縮小，一定程度上加大了液流流速，流速的增大必然引起沿程水力損失和局部沖擊損失的增加，這樣勢(shì)必造成導(dǎo)流器轉(zhuǎn)化效果的大幅度下降，同樣限制了潛水泵性能的發(fā)揮。

3.2潛水泵外部特性參數(shù)分析

原型潛水泵中，采用的導(dǎo)流器葉片數(shù)為7，在流量為125m^3/h 的設(shè)計(jì)工況下，揚(yáng)程為16m，效率值為81%。分別采用5、6、8、9和10個(gè)導(dǎo)流器葉片后，在對(duì)應(yīng)流量125m^3/h設(shè)計(jì)工況下的揚(yáng)程和效率都發(fā)生了明顯的變化。其中：葉片數(shù)超過(guò)7的潛水泵揚(yáng)程和效率都有不同程度的提高，而葉片數(shù)比7少的潛水泵揚(yáng)程和效率有所下降。6個(gè)方案中，葉片數(shù)為9的性能最佳，其水泵效率達(dá)到了84.3%，見(jiàn)表2。

從表2可以看出，導(dǎo)流器葉片數(shù)對(duì)潛水泵性能有顯著影響。葉片數(shù)為5時(shí)，因葉片少而流道斷面面積大，由葉輪出流的高環(huán)量液體直接進(jìn)入導(dǎo)流器，旋轉(zhuǎn)速度較大，導(dǎo)流器不能很好地發(fā)揮降低液流速度的作用。在原設(shè)計(jì)人口流量125m^3/h 工況下?lián)P程為13.94 m，較原裝7個(gè)葉片的導(dǎo)流器降低2.92m；效率為71.0%，較原裝導(dǎo)流器降低10.0個(gè)百分點(diǎn)，水泵效率偏低。同樣，葉片數(shù)為6時(shí)，雖比5個(gè)葉片數(shù)的性能有所提升，但與原裝7個(gè)葉片的導(dǎo)流器相比，性能也有不同程度的下降。隨著葉片數(shù)增加到8、9和10后，水泵性能較原裝有了一定的提高。其中，性能提高幅度最大的是葉片數(shù)為9的潛水泵，在流量125m^3/h 工況下?lián)P程為17.64m，較原裝導(dǎo)流器增加了0.78m；效率為84.3%，較原裝導(dǎo)流器提高了3.3個(gè)百分點(diǎn)。

增加導(dǎo)流器葉片數(shù)后，整個(gè)流道被分割成多個(gè)小的流動(dòng)通道，液流分別沿著這些小通道獨(dú)立流動(dòng)，導(dǎo)流器葉片減小速度環(huán)量的能力進(jìn)一步加強(qiáng)，液流動(dòng)能轉(zhuǎn)換為壓力能的效果也逐漸顯現(xiàn)。由于液流在各自流道內(nèi)作約束流動(dòng)，整個(gè)流動(dòng)過(guò)程不容易產(chǎn)生脫流和旋渦，因此能量損失較少，最終通過(guò)外部特性反映出的結(jié)果就是水泵揚(yáng)程和效率提高。

圖4為導(dǎo)流器不同葉片數(shù)下的水泵效率預(yù)測(cè)曲線。導(dǎo)流器葉片少，使其不能很好地約束和控制葉輪出流，液流減速效果差，水力損失大，最終表現(xiàn)出效率偏低。當(dāng)葉片數(shù)增加時(shí)，導(dǎo)流器對(duì)流體流動(dòng)的約束就會(huì)逐漸加強(qiáng)，減少了能量的損失，提高了潛水泵的效率。圖4中，效率預(yù)測(cè)曲線上各點(diǎn)斜率也不同，說(shuō)明潛水泵效率的提高趨勢(shì)不是葉片越多越明顯。當(dāng)效率提高到一定程度時(shí)，繼續(xù)增加葉片數(shù)，不但不會(huì)進(jìn)一步提高水泵效率，反而使其有所下降。

綜上分析，對(duì)于原型潛水泵，水力性能較好的導(dǎo)流器葉片數(shù)閾值區(qū)間為

3.3仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

為了對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，在水泵開(kāi)式試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)試不同葉片數(shù)導(dǎo)流器與原裝葉輪裝配后的潛水泵性能。當(dāng)葉片數(shù)變化時(shí)，潛水泵實(shí)測(cè)與仿真的性能對(duì)比曲線見(jiàn)圖5。

從圖5可以看出，額定工況下，水泵揚(yáng)程和效率曲線的仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合度較高。不同葉片數(shù)潛水泵的揚(yáng)程曲線和效率曲線走勢(shì)相同，隨著流量的增大，揚(yáng)程和效率發(fā)生不同的變化。所有工況下，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的相對(duì)誤差最大為8.2%，最小為2.3%，均值為5.11%，誤差在允許范圍內(nèi)。

4結(jié)論

（1）利用黑箱研究法，通過(guò)Fluent仿真來(lái)分析導(dǎo)流器內(nèi)部復(fù)雜流場(chǎng)變化規(guī)律是可行的。

（2）隨著導(dǎo)流器葉片數(shù)的增加，潛水泵的揚(yáng)程和效率都呈遞增趨勢(shì)。對(duì)于原型潛水泵，水力性能較好的導(dǎo)流器葉片數(shù)閾值區(qū)間為。

（3）葉片數(shù)的確定需結(jié)合生產(chǎn)工藝，不能僅僅為了提高水泵水力效率而不考慮鑄造時(shí)葉片造型的難易程度和成本，隨意增加導(dǎo)流器葉片數(shù)。導(dǎo)流器葉片數(shù)的選擇需結(jié)合水泵性能和生產(chǎn)成本，使其達(dá)到綜合效益最高。