張金金，林 路，葛新峰，程 誠，楊修遠(yuǎn)，楊孝才

（1.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.南京藍(lán)奧環(huán)境科技有限公司，江蘇 南京 211500；3.南京藍(lán)奧環(huán)保設(shè)備有限公司，江蘇 南京 211500）

0 引言

“雙碳”戰(zhàn)略倡導(dǎo)綠色、環(huán)保、低碳的生活方式。加快降低碳排放步伐，有利于引導(dǎo)綠色技術(shù)創(chuàng)新，提高產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟(jì)的全球競爭力。近些年，隨著我國對(duì)于環(huán)境問題的逐漸重視，再加之潛水推流器具有安裝方便，易于維護(hù)，操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，伴隨著潛水機(jī)電的設(shè)計(jì)和制造工藝不斷地進(jìn)步，潛水推流器已經(jīng)成為了我國非常重要的污水處理設(shè)備［1］。潛水?dāng)嚢铏C(jī)及泵一般都是連續(xù)地運(yùn)行，電力消耗是生命周期成本的重要因素。如何能高效節(jié)能地提高潛水推流器的性能是污水處理行業(yè)一直追求的目標(biāo)［2］。

對(duì)于潛水推流器的研究主要有試驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算兩部分，但由于試驗(yàn)研究的局限性，大多數(shù)學(xué)者采用數(shù)值模擬的方法更為普遍，有關(guān)的試驗(yàn)研究還較為缺乏。田飛［3］等人對(duì)潛水式攪拌機(jī)攪拌的污水處理槽進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了整個(gè)槽內(nèi)流體的宏觀流場和各截面速度分布，并分析了潛水式攪拌機(jī)的軸向有效推進(jìn)距離和水截面的有效擾動(dòng)半徑。任向軒［4］等人研究出隨著葉片安放角的增加，潛水式攪拌器的軸功率以及推力不斷增大，葉片壓力面高壓區(qū)域也在逐漸增大。龔發(fā)云等［5］人以潛水式攪拌器槳葉為研究對(duì)象，探索其參數(shù)對(duì)攪拌效果的影響規(guī)律。SZULC［6］等著重探究了潛水式攪拌器性能評(píng)價(jià)的方法，并開展實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與用穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬分析得到的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。B?O?SKI［7］等提出了一個(gè)具有已知幾何結(jié)構(gòu)的潛水推流器試驗(yàn)，測量了推力、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和電動(dòng)率，采用理論方法對(duì)CFD 結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。CHOI［8］等在文章中預(yù)測了潛水式攪拌器的性能，探討了葉輪設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)性能特性的影響。

本文采用試驗(yàn)與CFD 相結(jié)合的方法，對(duì)安裝導(dǎo)流罩推流器和未安裝導(dǎo)流罩推流器的下水運(yùn)行過程進(jìn)行試驗(yàn)研究，利用稱重傳感器測量，計(jì)算得出不同工況下兩者推力和功率的大小關(guān)系。采用CFD 模擬方法，對(duì)兩者進(jìn)行非定常計(jì)算，分別對(duì)速度云圖、推功比、有效推進(jìn)距離進(jìn)行分析，以此揭示兩者運(yùn)行過程中的特性和規(guī)律，為潛水?dāng)嚢铏C(jī)優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)研究

1.1 推力和功率測量機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

推力和功率是衡量潛水?dāng)嚢杵餍阅艿闹匾獏?shù)［9］，推力和功率測量機(jī)構(gòu)如圖1（a）中所示，潛水推流器推力的測量有直接測量法。直接測量法是利用類似于圖1（b）所示的布置結(jié)構(gòu)，采用稱重傳感器直接測得的讀數(shù)F1乘以一個(gè)系數(shù)之后便可以得到潛水?dāng)嚢杵魍屏?，基本原理與杠桿原理一致，實(shí)際測量裝置的推力讀數(shù)應(yīng)為：

圖1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Fig.1 Experimental design

式中：F和F1分別表示潛水?dāng)嚢杵鞯耐屏头Q重傳感器所測得的推力；LM表示靠近推流器一端杠桿長度；LLC表示靠近稱重傳感器一端杠桿長度。

1.2 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)考慮潛水推流器是否安裝導(dǎo)流罩對(duì)推力和功率的影響。潛水推流器進(jìn)行2 種工況方案的試驗(yàn)，具體方案如表1所示。

表1 潛水推流器試驗(yàn)工況Tab.1 Submersible thruster test conditions

1.3 試驗(yàn)過程

圖2（a）所示為安裝在支架上的有導(dǎo)流罩的潛水推流器實(shí)物圖，圖2（b）所示為稱重測力傳感器實(shí)物圖，它安裝在整個(gè)試驗(yàn)裝置的最上端。圖2（c）所示為安裝有導(dǎo)流罩的潛水推流器下水運(yùn)行的過程。圖2（d）所示為無導(dǎo)流罩的潛水推流器安裝在支架上的實(shí)物圖，圖2（e）所示為未安裝導(dǎo)流罩的潛水推流器的下水過程，圖2（f）所示為記錄結(jié)果。

圖2 試驗(yàn)過程Fig.2 Experimental process

1.4 推力和功率測量

由推力機(jī)構(gòu)的布置可知，杠桿兩端長度、分別為1.05 m 和0.35 m，測量安裝導(dǎo)流罩潛水推流器的稱重傳感器讀數(shù)為2 220 N，未安裝導(dǎo)流罩潛水推流器的稱重傳感器讀數(shù)為2 931 N，根據(jù)稱重傳感器的讀數(shù)帶入到式（1）中便可以得到安裝導(dǎo)流罩潛水推流器的裝置實(shí)際測量到的推力讀數(shù)應(yīng)為740 N，未安裝有導(dǎo)流罩的潛水推流器的裝置實(shí)際測量到的推力讀數(shù)應(yīng)為977 N。選取的稱重傳感器量程至少應(yīng)大于其讀數(shù)，同時(shí)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)力測量的不確定性應(yīng)滿足小于2%的要求，選取DYLY-103 型稱重傳感器以及DY920 力值測控儀。通過采集儀器獲得功率，安裝導(dǎo)流罩的潛水推流器功率的功率讀數(shù)為903 W，未安裝導(dǎo)流罩的潛水推流器的功率讀數(shù)為1 164 W。

1.5 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)過程中記錄的結(jié)果如表2所示，試驗(yàn)結(jié)果表明不同工況下安裝導(dǎo)流罩的潛水推流器的推力和功率分別小于未安裝導(dǎo)流罩的潛水推流器的推力和功率。

表2 潛水推流器試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Submersible thruster test results

2 模型建立

2.1 潛水推流器模型建立

采用軟件UG12.0 進(jìn)行建模。坐標(biāo)系如圖3（a）中所示，坐標(biāo)原點(diǎn)位于轉(zhuǎn)輪中心處，實(shí)驗(yàn)池長（沿X軸方向）14.78 m，寬（沿Y軸方向）6 m，水深（沿Z軸方向）3.5 m；潛水推流器布置在距離池底0.75 m、距離池壁1.5 m 處。潛水推流器分為兩種，第一種不帶有導(dǎo)流罩直徑為386 mm，第二種帶有導(dǎo)流罩直徑為405 mm，由于轉(zhuǎn)輪曲線較為復(fù)雜，故采用模型掃描的方法將實(shí)際數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入至電腦中，并基于上述基本數(shù)據(jù)，構(gòu)建直徑為386 mm、高為120 mm 的圓柱形旋轉(zhuǎn)域以方便軟件計(jì)算。潛水推流器建模如圖3（b）和圖3（c）所示。

圖3 坐標(biāo)系、試驗(yàn)池模型及潛水推流器模型Fig.3 Coordinate system，test cell model and submersible thruster model

3 網(wǎng)格劃分及無關(guān)性驗(yàn)證

采用ICEM 軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，整體采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格來劃分試驗(yàn)池水池以及旋轉(zhuǎn)域，如圖4所示。

圖4 導(dǎo)流罩及旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格劃分Fig.4 Mesh delineation of the deflector and rotational domains

如圖5所示，對(duì)網(wǎng)格的無關(guān)性進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，分別對(duì)網(wǎng)格的五種不同數(shù)量的劃分方案（有導(dǎo)流罩為620 萬、720 萬、820 萬、890萬、960 萬，無導(dǎo)流罩為600 萬、700 萬、800 萬、870 萬、940 萬）進(jìn)行計(jì)算，可以得到網(wǎng)格數(shù)量和推力的關(guān)系，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，理論推力趨于穩(wěn)定。安裝導(dǎo)流罩和未安裝導(dǎo)流罩潛水推流器平均理論推力分別為756.4 N 和996.1 N，本文分別選用890萬網(wǎng)格和870 萬網(wǎng)格。

圖5 網(wǎng)格總數(shù)-推力圖Fig.5 Total number of grids-thrust diagram

4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

4.1 速度云圖

為了探究葉片的出口流場，從葉片出口面向葉片方向（X軸負(fù)方向）截取平面，分別截取X=0.08 m、X=0.06 m、X=0.04 m、X=0.02 m處的速度云圖作為研究對(duì)象。

如圖6 和圖7所示，未安裝導(dǎo)流罩葉輪與安裝導(dǎo)流罩葉輪的出口流場大體相似，流體在葉輪內(nèi)軸對(duì)稱地流動(dòng)。安裝導(dǎo)流罩潛水推流器明顯小于未安裝導(dǎo)流罩潛水推流器葉輪的出口流速。流體經(jīng)過葉片旋轉(zhuǎn)作用之后，與附近流體產(chǎn)生剪切應(yīng)力，從而形成體積流，使得受控流體攪拌推流［10］。安裝導(dǎo)流罩潛水推流器葉輪由于導(dǎo)流罩的限制作用，其小于未安裝導(dǎo)流罩潛水推流器葉輪的出口流速。所以，安裝導(dǎo)流罩的潛水推流器要比未安裝導(dǎo)流罩的潛水推流器所受到的推力小，故安裝導(dǎo)流罩潛水推流器小于未安裝導(dǎo)流罩的潛水推流器的功率。

圖6 安裝導(dǎo)流罩葉輪出口處速度云圖Fig.6 Velocity cloud at the outlet of the impeller with deflector installed

圖7 未安裝導(dǎo)流罩葉輪出口處速度云圖Fig.7 Velocity cloud at the outlet of the impeller without the deflector cover

4.2 數(shù)模結(jié)果驗(yàn)證

轉(zhuǎn)輪在試驗(yàn)池中運(yùn)轉(zhuǎn)，功率除去設(shè)備損耗之外應(yīng)全部應(yīng)用于克服流體壓力以及黏性力做功，因此只要知道了流體對(duì)于轉(zhuǎn)輪的扭矩以及轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速就可以計(jì)算出推流器的功率：

其中，M和分別n表示扭矩和轉(zhuǎn)速，推流器的轉(zhuǎn)速為980r/min。推流器推力與推流器功率的比值為推力功率比：

式中：F表示作用在潛水推流器上的推力；P表示推流器的功率。

安裝導(dǎo)流罩的潛水推流器推力圖和扭矩圖分別如8 和圖9所示。由圖8 可以看出經(jīng)過12.5 s，推力趨于平穩(wěn)，為759.33 N。由圖9 可以看出，經(jīng)過9.7 s，扭矩值趨于穩(wěn)定，為8.66 N·m。由以上分析可知，安裝有導(dǎo)流罩的潛水推流器的推功比在12.5 s后趨于平穩(wěn)，為0.85 N/W。

圖8 推力圖Fig.8 Thrust diagram

圖9 扭矩圖Fig.9 Torque diagram

未安裝導(dǎo)流罩的潛水推流器的推力，經(jīng)過6.32 s，推力趨于平穩(wěn)，為1 003.39 N。未安裝導(dǎo)流罩的扭矩，經(jīng)過4.1 s，扭矩值趨于穩(wěn)定，為11.16 N·m。由以上分析可知，未安裝有導(dǎo)流罩的潛水推流器的推功比在6.32 s 后趨于穩(wěn)定，為0.88 N/W。結(jié)果表明安裝有導(dǎo)流罩潛水推流器的推功比小于未安裝導(dǎo)流罩潛水推流器的推功比。

和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，有無安裝導(dǎo)流罩潛水推流器的相關(guān)數(shù)據(jù)如表3所示，由表3 中數(shù)據(jù)分析可知，潛水推流器所受到的水推力的理論模擬值大于試驗(yàn)值，需要考慮到水對(duì)導(dǎo)桿的阻力作用、軸承的傳動(dòng)效率和水力損失，從而使得潛水推流器所受到的水推力的理論模擬值大于試驗(yàn)測量值。而潛水推流器的理論模擬功率值要比試驗(yàn)測量功率值小，考慮到軸承等摩擦力的作用，從而使得潛水推流器功率的理論模擬值小于試驗(yàn)值。模擬值與試驗(yàn)值的誤差在5%以內(nèi)，結(jié)果說明了數(shù)值模擬的正確性和試驗(yàn)的可靠性，安裝導(dǎo)流罩的潛水推流器的推力、功率以及推功比比未安裝導(dǎo)流罩的潛水推流器分別要減小24.3%、22.4%、2.4%。

表3 推力和功率數(shù)模驗(yàn)證Tab.3 Thrust and power digital-analog verification

4.3 推流器有效推進(jìn)距離

有效推進(jìn)距離是衡量潛水推流器水力性能的主要指標(biāo)之一，有效推進(jìn)距離指在潛水?dāng)嚢杵鞯挠行Чぷ鲄^(qū)域內(nèi)（保持流速大于等于0.3 m/s 的條件下）［11］，其對(duì)水流產(chǎn)生推進(jìn)作用的有效距離；攪拌器有效推進(jìn)距離所能包含的池中區(qū)域越大其起到的攪拌效果越好，潛水推流器在轉(zhuǎn)輪安裝斷面處速度云圖如圖10所示。

圖10 潛水推流器在轉(zhuǎn)輪安裝斷面處速度云圖Fig.10 Velocity cloud of the submersible thruster at the rotor mounting section

從圖10速度云圖分別可以看出，有無安裝導(dǎo)流罩潛水推流器在0.3 m/s 下為13.1 和12.5 m，0.4 m/s 下有效推進(jìn)距離為12.2和9.5 m，在0.6 m/s 下為8.5 和6.5 m。由此可見：安裝導(dǎo)流罩可以增加高速推流器的推進(jìn)距離，有導(dǎo)流罩的推流器（工況1）的有效推進(jìn)距離比沒有導(dǎo)流罩的推流器（工況2）的有效推進(jìn)距離在0.3、0.4、0.6 m/s條件下分別增加了4.8%、28.4%、30.8%。

5 結(jié)論

文章采用試驗(yàn)和CFD 相結(jié)合的方法，通過試驗(yàn)獲得潛水推流器下水運(yùn)行過程中的試驗(yàn)推力、試驗(yàn)功率和試驗(yàn)推功比，通過CFD 分析方法獲得理論模擬推力、理論模擬功率、理論模擬推功比、速度云圖和有效推進(jìn)距離。主要結(jié)論如下：

（1）通過開展試驗(yàn)和數(shù)值模擬得到了推力、功率及推功比，數(shù)值模擬和試驗(yàn)值相比誤差小于5%，安裝導(dǎo)流罩的潛水推流器的推力、功率以及推功比比未安裝導(dǎo)流罩的潛水推流器分別要減小24.3%、22.4%、2.4%。

（2）安裝導(dǎo)流罩可以增加推流器的有效推進(jìn)距離，安裝導(dǎo)流罩與未安裝導(dǎo)流罩相比在0.3、0.4、0.6 m/s條件下有效推進(jìn)距離分別增加了4.8%、28.4%、30.8%。