基于平均流动动能输运的离心叶轮内能量损失及其机理分析

摘要

叶轮内能量损失是影响离心泵水力性能的关键因素,为探明离心式叶轮内的能量损失特性,本文采用可直接求解大尺度湍流结构的超大涡模拟方法对某低比转速离心叶轮三种流量(分别为1.0,0.6和0.25倍设计流量)下的内部流动进行数值模拟,基于平均流动动能输运研究叶轮内的流动特征、能量损失特性及其机理。通过积分平均流动动能输运方程的直接黏性耗散项和湍动能生成项,分别计算直接黏性损失和湍动能生成对应的平均流动动能损失,建立流场特征与能量损失的关联,获得流场中能量损失的空间分布特征。结果表明,叶轮内直接黏性损失集中在近壁区,且随流量降低而显著减小;湍动能生成是平均流动动能损失的主要形式,其与叶轮内流动的剪切效应直接相关,在叶片压力面,脱流和分离涡形成强剪切流动,湍动能生成项周向-周向分量(P_(θθ))和径向-周向分量(P_(rθ))将增加周向和径向速度脉动而使湍动能增加,径向-径向分量(P_(rr))则减小速度脉动的径向分量,从而抑制平均流动动能转换为湍动能;对于叶片吸力面分离流动及叶轮出口回流所形成的强剪切流动,P_(rθ)和P_(rr)是产生湍流脉动的主导因素,P_(θθ)则对平均流动动能损失起抑制作用。