基于軸流泵葉輪設(shè)計(jì)的潛水?dāng)嚢杵魈匦苑治?/h1>
2019-04-25 05:41:30湯方平
中國農(nóng)村水利水電 2019年4期
徐 瑩，湯方平，許 喬
(揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)
現(xiàn)今，相較于國外，我國對潛水?dāng)嚢杵鞯难芯咳圆粔虺墒旌屯晟?。早期國?nèi)的潛水?dāng)嚢杵髦饕獊碓从谶M(jìn)口，隨著市場的需求及國家對技術(shù)方面的重視，企業(yè)開始引進(jìn)國外技術(shù)；早期有些企業(yè)利用反求工程[1]，逆向制造出市場上已有卻未掌握生產(chǎn)技術(shù)的產(chǎn)品，先購入國外的先進(jìn)產(chǎn)品，再生產(chǎn)，大大縮減了產(chǎn)品的開發(fā)周期。
近年來，計(jì)算機(jī)技術(shù)的智能發(fā)展帶動(dòng)著數(shù)值模擬技術(shù)也愈加深入廣泛，可以減小因復(fù)雜實(shí)驗(yàn)帶來的較大成本投入。周國忠[2]利用CFX開發(fā)出一個(gè)程序，模擬計(jì)算混合過程，這是第一次國內(nèi)攪拌槽內(nèi)的混合過程被基于CFD的角度進(jìn)行數(shù)值研究；王振松[3]等利用CFX軟件，運(yùn)用k-ε湍流模型模擬了攪拌槽內(nèi)固液兩相流場，并與清水流場對比分析，揭示出攪拌槽底懸浮狀態(tài)與流場分布的關(guān)系，并輔以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；田飛[4]對攪拌流場做了非穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算，首次推導(dǎo)出攪拌功率與攪拌速度、攪拌功率、水推力與流體密度的數(shù)學(xué)關(guān)系，以及潛水?dāng)嚢杵餍实墓浪闶?，并且提出了潛水?dāng)嚢铏C(jī)須匹配水池的原則，首次分別使用流速儀和PIV測量了全流場和局部流場；施衛(wèi)東[5]分別對有無裝導(dǎo)流殼的潛水?dāng)嚢杵鬟M(jìn)行數(shù)模求解，得出導(dǎo)流殼能夠軸向?qū)Я?，明顯可以減小池壁的邊界效應(yīng)；劉曉滿[6]改變攪拌器不同水平傾角和放置深度，找出了45°為最優(yōu)安裝角度的方案。龔發(fā)云[7]基于FLUENT軟件，改變潛水?dāng)嚢杵鳂~數(shù)目、直徑大小及數(shù)量，模擬其內(nèi)部流場，指出適當(dāng)增大這些參數(shù)有利于攪拌效果；徐偉幸[8]基于FLUENT軟件，提出潛水?dāng)嚢杵靼惭b越深，更有助于改善池底顆粒沉淀累積狀況，且潛水?dāng)嚢杵鞯妮嗇灡仍叫⊥七M(jìn)速度更大；徐順[9,10]根據(jù)牛頓定律與杠桿原理設(shè)計(jì)出一套測量潛水?dāng)嚢杵鬏S向推力和扭矩的實(shí)驗(yàn)裝置，并提出了潛水?dāng)嚢杵髟谟绊戇x型的一個(gè)重要參數(shù)----有效攪拌比，并探究了葉片間隙對潛水?dāng)嚢杵髁鲌龅奈⑿∮绊憽１疚囊暂S流泵葉片為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)出的潛水?dāng)嚢杵?，并通過對比驗(yàn)證其設(shè)計(jì)的良好性。
1 計(jì)算模型及求解
1.1 攪拌器葉輪的設(shè)計(jì)及模型建立
通常設(shè)計(jì)軸流泵葉片時(shí)，葉輪出口的速度環(huán)量按照等環(huán)量分布原則，即與半徑方向無關(guān)，但研究表明實(shí)際上速度環(huán)量沿半徑方向分布并不為常量，葉輪輪轂處與輪緣處附近的真實(shí)速度環(huán)量均要大于設(shè)計(jì)環(huán)量。為了增加軸流泵葉輪對流體的卷吸作用，使得葉片在水池中旋轉(zhuǎn)攪拌的回流作用更加明顯，增大有效攪拌區(qū)域減少死水區(qū)域，現(xiàn)采用變環(huán)量流型進(jìn)行葉片設(shè)計(jì)。對軸流泵葉片的等設(shè)計(jì)環(huán)量進(jìn)行修正，潛水?dāng)嚢杵魅~片速度環(huán)量遵循偏輪轂側(cè)中部大、向輪轂輪緣兩側(cè)逐漸減小的二次拋物分布。
計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的支撐環(huán)境為FORTRAN高級(jí)語言和AutoCAD制圖軟件，采用簡化三元流動(dòng)模型和平面葉柵理論進(jìn)行葉輪的造型與優(yōu)化設(shè)計(jì)，可自由選定徑向環(huán)量的分布，按需選擇優(yōu)化參數(shù)。模型設(shè)計(jì)以計(jì)算為主，依靠DXF圖形文件交換數(shù)據(jù)，圖量較少。按照所要求的流量、揚(yáng)程、效率和空化余量等參數(shù)確定輪轂比、葉片數(shù)目、外緣葉柵稠密度、葉柵稠密度徑向分布規(guī)律和環(huán)量分布。只需多次運(yùn)行程序即可獲得葉片數(shù)目和葉柵稠密度分布規(guī)律，無需進(jìn)行優(yōu)化。此程序?qū)⒘髁?、揚(yáng)程、轉(zhuǎn)速作為設(shè)計(jì)參數(shù)，輪轂比、葉柵稠密度徑向分布規(guī)律、環(huán)量分布、外緣葉柵稠密度和葉片數(shù)目作為優(yōu)化參數(shù)，效率作為優(yōu)化目標(biāo)，空化余量作為約束條件，程序流程圖如圖1所示[11]。
將所需的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)輸入到此設(shè)計(jì)程序中，便可得到潛水?dāng)嚢杵魅~片型值表，并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入作圖，如圖2所示。本文最終所定攪拌器葉輪直徑D為300 mm，葉片數(shù)量為3，輪轂比為 0.466 7，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速960 r/min，并加有導(dǎo)管。
為便于電機(jī)部分的流體域的建模，將密閉電機(jī)簡化為總長為404 mm，最大直徑為180 mm的頭部漸變圓柱體，電機(jī)模型如圖3所示，進(jìn)行流場計(jì)算時(shí)外包外徑為370 mm的導(dǎo)管。
圖3 潛水?dāng)嚢杵麟姍C(jī)簡化模型
1.2 攪拌器葉輪的數(shù)值模擬
通過ICEM軟件對實(shí)驗(yàn)水池以及攪拌器的導(dǎo)水帽流域進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，運(yùn)用Turbogrid對電機(jī)的流域部分以及葉輪區(qū)域進(jìn)行劃分，因?qū)嶒?yàn)水池與旋轉(zhuǎn)葉輪區(qū)域大小相差巨大，故適當(dāng)?shù)募哟笕~輪流域的網(wǎng)格數(shù)量。選取的實(shí)驗(yàn)水池的大小為6 m×5 m×1.4 m，機(jī)組尾部距離后壁面175 mm，整個(gè)裝置的中心軸線過水池后壁面中心，即葉輪中心距兩側(cè)邊壁距離相等，且中心離池底的高度為0.7 m。
將水池池底和其四周墻壁以及電機(jī)殼均設(shè)置為固壁條件，水池液面采用剛蓋假定，簡化設(shè)置成對稱面，靜區(qū)域與靜區(qū)域間，如電機(jī)入口處采用靜靜交界面，動(dòng)區(qū)域與靜區(qū)域間，如電機(jī)出口即葉輪入口處，葉輪出口處，交界面均采用Frozen Rotor，運(yùn)用CFX數(shù)值模擬軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，使用高階求解格式和標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，RANS為控制方程，收斂精度設(shè)為10-4。并用高效與功能全面的CFX后處理功能對流場進(jìn)行分析處理。
為更直觀的了解實(shí)驗(yàn)水池內(nèi)的流場分布情況，對池內(nèi)不同距離處流場沿徑向的分布進(jìn)行了分析，將對實(shí)驗(yàn)水池進(jìn)行布點(diǎn)，并將各點(diǎn)的軸向流速取出。池內(nèi)監(jiān)測布點(diǎn)情況如圖4所示，S為攪拌池后壁面壁到所布線位置的水平距離，D為布線距離水池液面的深度。將D分別取0.5、0.7、0.9 m，S分別取3、4、5 m，在每一條線上均布11個(gè)間隔為0.5 m的測點(diǎn)作為監(jiān)測對象，如圖4所示。
圖4 潛水?dāng)嚢杵魉夭键c(diǎn)示意圖
為免冗述，僅取D為0.7 m的布線，3種推進(jìn)距離S下的潛水?dāng)嚢杵魅~片的軸向速度分布如圖5所示。當(dāng)推進(jìn)距離S增加時(shí)，射流中心位置點(diǎn)的軸向速度逐漸減小，且從射流中心到邊界軸向速度的衰減變慢。在射流中心處，布置點(diǎn)的速度沿軸向傳遞較大，徑向上速度降低很明顯，潛水?dāng)嚢杵鞯母咚賲^(qū)域面積相對集中于中心位置，即潛水?dāng)嚢杵靼惭b軸線。在近兩側(cè)池壁邊界處，軸向速度趨于平緩，衰減較小，甚有沿徑向逐漸略增?？煽闯?，潛水?dāng)嚢杵魅~片軸向速度分布比較均勻，有效攪拌區(qū)域較大，能起到很好的攪勻、混合效果。
圖5 不同推進(jìn)距離S的軸向速度(D=0.7)
2 葉輪對比分析
為了評(píng)價(jià)所設(shè)計(jì)的潛水?dāng)嚢杵魅~輪模型，現(xiàn)將其與軸流泵ZM30葉輪、南京貝特公司生產(chǎn)的QJB320/960-4/C型號(hào)的潛水?dāng)嚢杵魅~輪進(jìn)行數(shù)值模擬比較，來對設(shè)計(jì)的潛水?dāng)嚢杵魅~輪的外特性參數(shù)和攪拌效果進(jìn)行綜合評(píng)判。軸流泵葉輪輪轂比為0.4，直徑為300 mm。南京貝特葉輪的葉片數(shù)為3，輪轂比為0.562 5，直徑為320 mm。將貝特葉輪電機(jī)轉(zhuǎn)速，由于是直聯(lián)傳動(dòng)，即將葉輪轉(zhuǎn)速設(shè)置為576 r/min，小于其密閉電機(jī)960 r/min的額定轉(zhuǎn)速，且額定功率為Pe=4 kW。遵循水泵第三相似率準(zhǔn)則將軸流泵葉輪的電機(jī)轉(zhuǎn)速換算為524.9 r/min，以使得軸流泵葉輪和貝特葉輪的功率值相一致。
2.1 流場對比分析
圖6分別為軸流泵葉輪、南京貝特葉輪和設(shè)計(jì)的潛水?dāng)嚢杵魅~輪的過軸線的水平截面速度矢量圖。從矢量圖可看出：三副葉輪模型均表現(xiàn)出了軸向推流、徑向擴(kuò)散的特征，池內(nèi)流場總體相似。軸流泵葉輪模型對周圍流體的卷吸作用相對較小，主要體現(xiàn)出其旋轉(zhuǎn)射流的特征，軸流泵葉輪對壁面作用的影響相對較小，特別是在水池前池壁附近區(qū)域，其在中心處軸向速度大于貝特葉輪模型；3個(gè)模型中軸向速度最小的為貝特葉輪模型，但其在射流中后期射流擴(kuò)散角要大于軸流泵葉輪模型，故尤其在池壁附近回流作用更強(qiáng)。本文所設(shè)計(jì)的潛水?dāng)嚢杵魅~輪是基于軸流泵葉輪設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行環(huán)量修正所得，其兼具軸流泵葉輪與貝特葉輪的攪拌特點(diǎn)。較于其余兩副葉輪，潛水?dāng)嚢杵魅~輪的軸向速度要更大，且其對四周流體的吸引作用也明顯大于軸流泵葉輪；在水池池壁處，壁面作用的影響也大于軸流泵葉輪，即其在加強(qiáng)軸向推流作用的同時(shí)，在回流區(qū)域的作用也更加明顯。
圖6 軸流泵、貝特、潛水?dāng)嚢杵魅~輪軸截面速度矢量圖(單位：m/s)
圖7分別為軸流泵葉輪、貝特葉輪和設(shè)計(jì)的潛水?dāng)嚢杵魅~輪模型的過軸線的水平截面絕對速度云圖。在相同的圖例標(biāo)尺下，潛水?dāng)嚢杵魅~輪的有效攪拌區(qū)域明顯要大于另兩種葉輪模型，尤其在葉輪安裝側(cè)，潛水?dāng)嚢杵魅~輪的影響更大。速度為0 m/s的區(qū)域在流場的射流區(qū)域與回流區(qū)域之間存在，但該區(qū)域面積較小且四周環(huán)繞著有流速的流體。若此區(qū)域存在固體顆粒的話，則四周流體會(huì)賦有固體顆粒一定流速，使其不會(huì)沉淀。在這三幅葉輪模型中，潛水?dāng)嚢杵魅~輪模型的死水區(qū)域面積是最小的。
2.2 攪拌效果對比分析
為了評(píng)價(jià)葉輪模型的攪拌效果，現(xiàn)利用如下兩個(gè)公式分別求出三副葉輪模型的有效攪拌比和有效單位能耗，并對比分析三副葉輪的外特性參數(shù)，對其進(jìn)行評(píng)判。
Hα=V1/V
(1)
P1=P/V1
(2)
式中：Hα為攪拌池的有效攪拌比，%；V1為攪拌池內(nèi)流場中流速≥0.1 m/s流體體積，m3；V為攪拌池的總體積，m3；P為潛水?dāng)嚢杵麟姍C(jī)功率，W；P1為滿足攪拌要求的流體(流體流速≥0.1 m/s)的有效單位能耗，W/m3。
在CFX后處理過程中，先分出攪拌池內(nèi)流場符合攪拌要求的流體，然后求解出流體體積和攪拌池的體積。再通過上式的簡單計(jì)算將分別所求的三幅葉輪的有效攪拌比和有效單位能耗列入表1。
表1 葉輪攪拌效果對比
從表1可以看出有效攪拌比最大的為潛水?dāng)嚢杵魅~輪，其值為86.262%，而有效攪拌比最小的為軸流泵葉輪模型。有效單位能耗最小的為貝特葉輪模型，其值為20.313 W/m3；潛水?dāng)嚢杵魅~輪有效單位能耗較大，其值為32.642 W/m3。綜合上文分析可得，貝特葉輪的攪拌區(qū)域較大，且其的有效單位能耗最低，最為節(jié)能；潛水?dāng)嚢杵魅~輪雖耗能大，但攪拌區(qū)域廣，攪拌效果也要好于另外兩種葉輪模型，其綜合攪拌效果較傳統(tǒng)的軸流泵葉輪有了明顯改善。
3 模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果對比
3.1 實(shí)驗(yàn)裝置
根據(jù)牛頓第三定律和杠桿原理，采用如圖8所示的方式進(jìn)行潛水?dāng)嚢杵鞯陌惭b來測得潛水?dāng)嚢杵鞯耐屏团ぞ豙12]。
圖8 潛水?dāng)嚢杵靼惭b方式及實(shí)物圖
3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
本實(shí)驗(yàn)采用旋槳流速儀來測量攪拌池內(nèi)的軸向速度流場，其型號(hào)為LS1206B。利用所連傳感器，讀出扭矩儀的示數(shù)，再經(jīng)簡單公式轉(zhuǎn)換，得出潛水?dāng)嚢杵鞯妮S向推力，通過多次取用實(shí)驗(yàn)值然后再取平均值來消除隨機(jī)誤差，本文通過取十次實(shí)驗(yàn)值后求平均值。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果如圖9所示做對比分析。
圖9 潛水?dāng)嚢杵鰿FD與實(shí)際測量(D=0.7)
潛水?dāng)嚢杵骼碚撆c實(shí)際測量值如圖9所示，由圖中折線可看出其總體走向一致，實(shí)際與理論的吻合性良好。分別取深度D=0.7 m時(shí)，距離S為3、4、5 m，將潛水?dāng)嚢杵鞅O(jiān)測點(diǎn)的理論值和實(shí)際測量值做對比，折線的整體的吻合度較好，在中心區(qū)域，數(shù)值模擬值要大于實(shí)際測量值，而在局部回流區(qū)域?qū)嶋H測量值要稍大于數(shù)值模擬值。這是由于測量時(shí)的誤差和實(shí)驗(yàn)本身儀器的精度問題，及簡化設(shè)置的數(shù)值模擬邊界，且誤差在可以接受的范圍內(nèi)，良好地證明了數(shù)值模擬的可靠性(見表2和表3)。
對比分析表1、表2的模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，潛水?dāng)嚢杵魅~輪的實(shí)際推力值較理論值更小，由于存在軸承傳動(dòng)損失、水對導(dǎo)桿的不可忽略的摩阻力作用以及各種水力損失，這些因素均導(dǎo)致了葉輪的實(shí)際推力值小于理論值。而實(shí)測的攪拌器扭矩值要大于理論扭矩值，這是由于與傳感器相連的方管鋼絲繩間不小的摩擦力的存在，需要更大的扭矩才可與拉力平衡。將實(shí)際測量得出的扭矩值，通過公式換算得到軸功率并記為P1，實(shí)際測量得到的電機(jī)功率、理論扭矩值換算得到的功率分別記為P2、P3，P3
表2 潛水?dāng)嚢杵鞴β?、推力和扭?/p>
表3 攪拌器功率推力和扭矩相對誤差 %
4 結(jié) 語
以軸流泵葉片設(shè)計(jì)方法為基礎(chǔ)，采用變環(huán)量流型設(shè)計(jì)葉片，并對其進(jìn)行修正得到潛水?dāng)嚢杵魅~輪模型。并對本文所設(shè)計(jì)的潛水?dāng)嚢杵魅~輪進(jìn)行數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)其流場是典型的軸流式攪拌流場，其流體循環(huán)通道通暢，主體循環(huán)效果良好，且有效提高了循環(huán)區(qū)的液流速度。
對比分析所設(shè)計(jì)的潛水?dāng)嚢杵魅~輪與貝特模型，以及軸流泵的葉輪模型的攪拌效果，潛水?dāng)嚢杵魅~輪耗能略大，但攪拌區(qū)域廣，攪拌效果好于另外兩種葉輪模型，相較于傳統(tǒng)的軸流泵葉輪，其綜合攪拌效果有了明顯改善。
基于所搭建的實(shí)驗(yàn)測量裝置平臺(tái)，利用旋槳儀測量潛水?dāng)嚢杵鞯妮S向流速，用所連傳感器測得再運(yùn)用計(jì)算式推出潛水?dāng)嚢杵鞯妮S向推力，再據(jù)扭矩儀讀出扭矩，最后對比所得的將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩者結(jié)果數(shù)值吻合性較好，較好的說明了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信性。
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近年來，計(jì)算機(jī)技術(shù)的智能發(fā)展帶動(dòng)著數(shù)值模擬技術(shù)也愈加深入廣泛，可以減小因復(fù)雜實(shí)驗(yàn)帶來的較大成本投入。周國忠[2]利用CFX開發(fā)出一個(gè)程序，模擬計(jì)算混合過程，這是第一次國內(nèi)攪拌槽內(nèi)的混合過程被基于CFD的角度進(jìn)行數(shù)值研究；王振松[3]等利用CFX軟件，運(yùn)用k-ε湍流模型模擬了攪拌槽內(nèi)固液兩相流場，并與清水流場對比分析，揭示出攪拌槽底懸浮狀態(tài)與流場分布的關(guān)系，并輔以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；田飛[4]對攪拌流場做了非穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算，首次推導(dǎo)出攪拌功率與攪拌速度、攪拌功率、水推力與流體密度的數(shù)學(xué)關(guān)系，以及潛水?dāng)嚢杵餍实墓浪闶?，并且提出了潛水?dāng)嚢铏C(jī)須匹配水池的原則，首次分別使用流速儀和PIV測量了全流場和局部流場；施衛(wèi)東[5]分別對有無裝導(dǎo)流殼的潛水?dāng)嚢杵鬟M(jìn)行數(shù)模求解，得出導(dǎo)流殼能夠軸向?qū)Я?，明顯可以減小池壁的邊界效應(yīng)；劉曉滿[6]改變攪拌器不同水平傾角和放置深度，找出了45°為最優(yōu)安裝角度的方案。龔發(fā)云[7]基于FLUENT軟件，改變潛水?dāng)嚢杵鳂~數(shù)目、直徑大小及數(shù)量，模擬其內(nèi)部流場，指出適當(dāng)增大這些參數(shù)有利于攪拌效果；徐偉幸[8]基于FLUENT軟件，提出潛水?dāng)嚢杵靼惭b越深，更有助于改善池底顆粒沉淀累積狀況，且潛水?dāng)嚢杵鞯妮嗇灡仍叫⊥七M(jìn)速度更大；徐順[9,10]根據(jù)牛頓定律與杠桿原理設(shè)計(jì)出一套測量潛水?dāng)嚢杵鬏S向推力和扭矩的實(shí)驗(yàn)裝置，并提出了潛水?dāng)嚢杵髟谟绊戇x型的一個(gè)重要參數(shù)----有效攪拌比，并探究了葉片間隙對潛水?dāng)嚢杵髁鲌龅奈⑿∮绊憽１疚囊暂S流泵葉片為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)出的潛水?dāng)嚢杵?，并通過對比驗(yàn)證其設(shè)計(jì)的良好性。
1 計(jì)算模型及求解
1.1 攪拌器葉輪的設(shè)計(jì)及模型建立
通常設(shè)計(jì)軸流泵葉片時(shí)，葉輪出口的速度環(huán)量按照等環(huán)量分布原則，即與半徑方向無關(guān)，但研究表明實(shí)際上速度環(huán)量沿半徑方向分布并不為常量，葉輪輪轂處與輪緣處附近的真實(shí)速度環(huán)量均要大于設(shè)計(jì)環(huán)量。為了增加軸流泵葉輪對流體的卷吸作用，使得葉片在水池中旋轉(zhuǎn)攪拌的回流作用更加明顯，增大有效攪拌區(qū)域減少死水區(qū)域，現(xiàn)采用變環(huán)量流型進(jìn)行葉片設(shè)計(jì)。對軸流泵葉片的等設(shè)計(jì)環(huán)量進(jìn)行修正，潛水?dāng)嚢杵魅~片速度環(huán)量遵循偏輪轂側(cè)中部大、向輪轂輪緣兩側(cè)逐漸減小的二次拋物分布。
計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的支撐環(huán)境為FORTRAN高級(jí)語言和AutoCAD制圖軟件，采用簡化三元流動(dòng)模型和平面葉柵理論進(jìn)行葉輪的造型與優(yōu)化設(shè)計(jì)，可自由選定徑向環(huán)量的分布，按需選擇優(yōu)化參數(shù)。模型設(shè)計(jì)以計(jì)算為主，依靠DXF圖形文件交換數(shù)據(jù)，圖量較少。按照所要求的流量、揚(yáng)程、效率和空化余量等參數(shù)確定輪轂比、葉片數(shù)目、外緣葉柵稠密度、葉柵稠密度徑向分布規(guī)律和環(huán)量分布。只需多次運(yùn)行程序即可獲得葉片數(shù)目和葉柵稠密度分布規(guī)律，無需進(jìn)行優(yōu)化。此程序?qū)⒘髁?、揚(yáng)程、轉(zhuǎn)速作為設(shè)計(jì)參數(shù)，輪轂比、葉柵稠密度徑向分布規(guī)律、環(huán)量分布、外緣葉柵稠密度和葉片數(shù)目作為優(yōu)化參數(shù)，效率作為優(yōu)化目標(biāo)，空化余量作為約束條件，程序流程圖如圖1所示[11]。
將所需的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)輸入到此設(shè)計(jì)程序中，便可得到潛水?dāng)嚢杵魅~片型值表，并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入作圖，如圖2所示。本文最終所定攪拌器葉輪直徑D為300 mm，葉片數(shù)量為3，輪轂比為 0.466 7，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速960 r/min，并加有導(dǎo)管。
為便于電機(jī)部分的流體域的建模，將密閉電機(jī)簡化為總長為404 mm，最大直徑為180 mm的頭部漸變圓柱體，電機(jī)模型如圖3所示，進(jìn)行流場計(jì)算時(shí)外包外徑為370 mm的導(dǎo)管。
圖3 潛水?dāng)嚢杵麟姍C(jī)簡化模型
1.2 攪拌器葉輪的數(shù)值模擬
通過ICEM軟件對實(shí)驗(yàn)水池以及攪拌器的導(dǎo)水帽流域進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，運(yùn)用Turbogrid對電機(jī)的流域部分以及葉輪區(qū)域進(jìn)行劃分，因?qū)嶒?yàn)水池與旋轉(zhuǎn)葉輪區(qū)域大小相差巨大，故適當(dāng)?shù)募哟笕~輪流域的網(wǎng)格數(shù)量。選取的實(shí)驗(yàn)水池的大小為6 m×5 m×1.4 m，機(jī)組尾部距離后壁面175 mm，整個(gè)裝置的中心軸線過水池后壁面中心，即葉輪中心距兩側(cè)邊壁距離相等，且中心離池底的高度為0.7 m。
將水池池底和其四周墻壁以及電機(jī)殼均設(shè)置為固壁條件，水池液面采用剛蓋假定，簡化設(shè)置成對稱面，靜區(qū)域與靜區(qū)域間，如電機(jī)入口處采用靜靜交界面，動(dòng)區(qū)域與靜區(qū)域間，如電機(jī)出口即葉輪入口處，葉輪出口處，交界面均采用Frozen Rotor，運(yùn)用CFX數(shù)值模擬軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，使用高階求解格式和標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，RANS為控制方程，收斂精度設(shè)為10-4。并用高效與功能全面的CFX后處理功能對流場進(jìn)行分析處理。
為更直觀的了解實(shí)驗(yàn)水池內(nèi)的流場分布情況，對池內(nèi)不同距離處流場沿徑向的分布進(jìn)行了分析，將對實(shí)驗(yàn)水池進(jìn)行布點(diǎn)，并將各點(diǎn)的軸向流速取出。池內(nèi)監(jiān)測布點(diǎn)情況如圖4所示，S為攪拌池后壁面壁到所布線位置的水平距離，D為布線距離水池液面的深度。將D分別取0.5、0.7、0.9 m，S分別取3、4、5 m，在每一條線上均布11個(gè)間隔為0.5 m的測點(diǎn)作為監(jiān)測對象，如圖4所示。
圖4 潛水?dāng)嚢杵魉夭键c(diǎn)示意圖
為免冗述，僅取D為0.7 m的布線，3種推進(jìn)距離S下的潛水?dāng)嚢杵魅~片的軸向速度分布如圖5所示。當(dāng)推進(jìn)距離S增加時(shí)，射流中心位置點(diǎn)的軸向速度逐漸減小，且從射流中心到邊界軸向速度的衰減變慢。在射流中心處，布置點(diǎn)的速度沿軸向傳遞較大，徑向上速度降低很明顯，潛水?dāng)嚢杵鞯母咚賲^(qū)域面積相對集中于中心位置，即潛水?dāng)嚢杵靼惭b軸線。在近兩側(cè)池壁邊界處，軸向速度趨于平緩，衰減較小，甚有沿徑向逐漸略增?？煽闯?，潛水?dāng)嚢杵魅~片軸向速度分布比較均勻，有效攪拌區(qū)域較大，能起到很好的攪勻、混合效果。
圖5 不同推進(jìn)距離S的軸向速度(D=0.7)
2 葉輪對比分析
為了評(píng)價(jià)所設(shè)計(jì)的潛水?dāng)嚢杵魅~輪模型，現(xiàn)將其與軸流泵ZM30葉輪、南京貝特公司生產(chǎn)的QJB320/960-4/C型號(hào)的潛水?dāng)嚢杵魅~輪進(jìn)行數(shù)值模擬比較，來對設(shè)計(jì)的潛水?dāng)嚢杵魅~輪的外特性參數(shù)和攪拌效果進(jìn)行綜合評(píng)判。軸流泵葉輪輪轂比為0.4，直徑為300 mm。南京貝特葉輪的葉片數(shù)為3，輪轂比為0.562 5，直徑為320 mm。將貝特葉輪電機(jī)轉(zhuǎn)速，由于是直聯(lián)傳動(dòng)，即將葉輪轉(zhuǎn)速設(shè)置為576 r/min，小于其密閉電機(jī)960 r/min的額定轉(zhuǎn)速，且額定功率為Pe=4 kW。遵循水泵第三相似率準(zhǔn)則將軸流泵葉輪的電機(jī)轉(zhuǎn)速換算為524.9 r/min，以使得軸流泵葉輪和貝特葉輪的功率值相一致。
2.1 流場對比分析
圖6分別為軸流泵葉輪、南京貝特葉輪和設(shè)計(jì)的潛水?dāng)嚢杵魅~輪的過軸線的水平截面速度矢量圖。從矢量圖可看出：三副葉輪模型均表現(xiàn)出了軸向推流、徑向擴(kuò)散的特征，池內(nèi)流場總體相似。軸流泵葉輪模型對周圍流體的卷吸作用相對較小，主要體現(xiàn)出其旋轉(zhuǎn)射流的特征，軸流泵葉輪對壁面作用的影響相對較小，特別是在水池前池壁附近區(qū)域，其在中心處軸向速度大于貝特葉輪模型；3個(gè)模型中軸向速度最小的為貝特葉輪模型，但其在射流中后期射流擴(kuò)散角要大于軸流泵葉輪模型，故尤其在池壁附近回流作用更強(qiáng)。本文所設(shè)計(jì)的潛水?dāng)嚢杵魅~輪是基于軸流泵葉輪設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行環(huán)量修正所得，其兼具軸流泵葉輪與貝特葉輪的攪拌特點(diǎn)。較于其余兩副葉輪，潛水?dāng)嚢杵魅~輪的軸向速度要更大，且其對四周流體的吸引作用也明顯大于軸流泵葉輪；在水池池壁處，壁面作用的影響也大于軸流泵葉輪，即其在加強(qiáng)軸向推流作用的同時(shí)，在回流區(qū)域的作用也更加明顯。
圖6 軸流泵、貝特、潛水?dāng)嚢杵魅~輪軸截面速度矢量圖(單位：m/s)
圖7分別為軸流泵葉輪、貝特葉輪和設(shè)計(jì)的潛水?dāng)嚢杵魅~輪模型的過軸線的水平截面絕對速度云圖。在相同的圖例標(biāo)尺下，潛水?dāng)嚢杵魅~輪的有效攪拌區(qū)域明顯要大于另兩種葉輪模型，尤其在葉輪安裝側(cè)，潛水?dāng)嚢杵魅~輪的影響更大。速度為0 m/s的區(qū)域在流場的射流區(qū)域與回流區(qū)域之間存在，但該區(qū)域面積較小且四周環(huán)繞著有流速的流體。若此區(qū)域存在固體顆粒的話，則四周流體會(huì)賦有固體顆粒一定流速，使其不會(huì)沉淀。在這三幅葉輪模型中，潛水?dāng)嚢杵魅~輪模型的死水區(qū)域面積是最小的。
2.2 攪拌效果對比分析
為了評(píng)價(jià)葉輪模型的攪拌效果，現(xiàn)利用如下兩個(gè)公式分別求出三副葉輪模型的有效攪拌比和有效單位能耗，并對比分析三副葉輪的外特性參數(shù)，對其進(jìn)行評(píng)判。
Hα=V1/V
(1)
P1=P/V1
(2)
式中：Hα為攪拌池的有效攪拌比，%；V1為攪拌池內(nèi)流場中流速≥0.1 m/s流體體積，m3；V為攪拌池的總體積，m3；P為潛水?dāng)嚢杵麟姍C(jī)功率，W；P1為滿足攪拌要求的流體(流體流速≥0.1 m/s)的有效單位能耗，W/m3。
在CFX后處理過程中，先分出攪拌池內(nèi)流場符合攪拌要求的流體，然后求解出流體體積和攪拌池的體積。再通過上式的簡單計(jì)算將分別所求的三幅葉輪的有效攪拌比和有效單位能耗列入表1。
表1 葉輪攪拌效果對比
從表1可以看出有效攪拌比最大的為潛水?dāng)嚢杵魅~輪，其值為86.262%，而有效攪拌比最小的為軸流泵葉輪模型。有效單位能耗最小的為貝特葉輪模型，其值為20.313 W/m3；潛水?dāng)嚢杵魅~輪有效單位能耗較大，其值為32.642 W/m3。綜合上文分析可得，貝特葉輪的攪拌區(qū)域較大，且其的有效單位能耗最低，最為節(jié)能；潛水?dāng)嚢杵魅~輪雖耗能大，但攪拌區(qū)域廣，攪拌效果也要好于另外兩種葉輪模型，其綜合攪拌效果較傳統(tǒng)的軸流泵葉輪有了明顯改善。
3 模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果對比
3.1 實(shí)驗(yàn)裝置
根據(jù)牛頓第三定律和杠桿原理，采用如圖8所示的方式進(jìn)行潛水?dāng)嚢杵鞯陌惭b來測得潛水?dāng)嚢杵鞯耐屏团ぞ豙12]。
圖8 潛水?dāng)嚢杵靼惭b方式及實(shí)物圖
3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
本實(shí)驗(yàn)采用旋槳流速儀來測量攪拌池內(nèi)的軸向速度流場，其型號(hào)為LS1206B。利用所連傳感器，讀出扭矩儀的示數(shù)，再經(jīng)簡單公式轉(zhuǎn)換，得出潛水?dāng)嚢杵鞯妮S向推力，通過多次取用實(shí)驗(yàn)值然后再取平均值來消除隨機(jī)誤差，本文通過取十次實(shí)驗(yàn)值后求平均值。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果如圖9所示做對比分析。
圖9 潛水?dāng)嚢杵鰿FD與實(shí)際測量(D=0.7)
潛水?dāng)嚢杵骼碚撆c實(shí)際測量值如圖9所示，由圖中折線可看出其總體走向一致，實(shí)際與理論的吻合性良好。分別取深度D=0.7 m時(shí)，距離S為3、4、5 m，將潛水?dāng)嚢杵鞅O(jiān)測點(diǎn)的理論值和實(shí)際測量值做對比，折線的整體的吻合度較好，在中心區(qū)域，數(shù)值模擬值要大于實(shí)際測量值，而在局部回流區(qū)域?qū)嶋H測量值要稍大于數(shù)值模擬值。這是由于測量時(shí)的誤差和實(shí)驗(yàn)本身儀器的精度問題，及簡化設(shè)置的數(shù)值模擬邊界，且誤差在可以接受的范圍內(nèi)，良好地證明了數(shù)值模擬的可靠性(見表2和表3)。
對比分析表1、表2的模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，潛水?dāng)嚢杵魅~輪的實(shí)際推力值較理論值更小，由于存在軸承傳動(dòng)損失、水對導(dǎo)桿的不可忽略的摩阻力作用以及各種水力損失，這些因素均導(dǎo)致了葉輪的實(shí)際推力值小于理論值。而實(shí)測的攪拌器扭矩值要大于理論扭矩值，這是由于與傳感器相連的方管鋼絲繩間不小的摩擦力的存在，需要更大的扭矩才可與拉力平衡。將實(shí)際測量得出的扭矩值，通過公式換算得到軸功率并記為P1，實(shí)際測量得到的電機(jī)功率、理論扭矩值換算得到的功率分別記為P2、P3，P3 表2 潛水?dāng)嚢杵鞴β?、推力和扭?/p> 表3 攪拌器功率推力和扭矩相對誤差 % 以軸流泵葉片設(shè)計(jì)方法為基礎(chǔ)，采用變環(huán)量流型設(shè)計(jì)葉片，并對其進(jìn)行修正得到潛水?dāng)嚢杵魅~輪模型。并對本文所設(shè)計(jì)的潛水?dāng)嚢杵魅~輪進(jìn)行數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)其流場是典型的軸流式攪拌流場，其流體循環(huán)通道通暢，主體循環(huán)效果良好，且有效提高了循環(huán)區(qū)的液流速度。 對比分析所設(shè)計(jì)的潛水?dāng)嚢杵魅~輪與貝特模型，以及軸流泵的葉輪模型的攪拌效果，潛水?dāng)嚢杵魅~輪耗能略大，但攪拌區(qū)域廣，攪拌效果好于另外兩種葉輪模型，相較于傳統(tǒng)的軸流泵葉輪，其綜合攪拌效果有了明顯改善。 基于所搭建的實(shí)驗(yàn)測量裝置平臺(tái)，利用旋槳儀測量潛水?dāng)嚢杵鞯妮S向流速，用所連傳感器測得再運(yùn)用計(jì)算式推出潛水?dāng)嚢杵鞯妮S向推力，再據(jù)扭矩儀讀出扭矩，最后對比所得的將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩者結(jié)果數(shù)值吻合性較好，較好的說明了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信性。4 結(jié) 語
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