本文是一篇机械论文，本研究采用了湍流模型、空化模型等基本动力学模型，对某型号轴流泵开展数值模拟，探讨不同尺寸的叶片顶部间隙和不同位置的裙边结构对轴流泵的性能特性曲线、内部流态变化以及由泵叶轮和泵轴构成的转子组件的固有特性和响应的变化。
1绪论
1.1研究背景及意义
水力设备作为能量传递的机器广泛应用与工业的各个领域，常用的水力设备包括轴流泵、离心泵及其他类型的大型机器，本文主要针对轴流泵开展相关研究。轴流泵主要用于农村的田地浇灌、供应城市用户的用水和平衡水资源不均匀的调水问题。我国南方大部分地区江河纵横、湖泊遍布，汛期需要排水，遇旱需要灌溉，是机电排灌上使用轴流泵最多的地方。在农田排灌方面，小块田地的灌溉采用可移动式小型轴流泵，防洪排涝则采用大中型轴流泵；在水利建设、跨流域调水方面采用大型轴流泵[1,2]。最近几年，随着原材料的波动和人力成本的上升，对轴流泵企业的利润空间构成一定影响。随着国民经济的稳健发展，目前市场正处于由分散向品牌集中的变化过程中，优胜劣汰在轴流泵设备行业中逐渐体现出来，具备较好的产品开发和创新能力、规模优势及品牌优势的企业会获得较好的发展空间和盈利增长。
轴流泵系统的研究受到日益增长的多样化需求的推动，在国民经济建设和生产生活水平提高的背景下变得越来越重要。轴流泵是一种流体机械，主要用于输送流体，特别是在需要较大流量和较低调动需求的场合，如农田灌溉、市政排水、水族馆、化工流程等。关于轴流泵内部的压力脉动现象，其基础研究可以从以下三个主要方面进行深入探讨[2]。不同类型轴流泵系统的性能均已达到较高水平，其名义管路效率已达95%左右，再进一步提高的难度较大。因此，泵系统的设计稳健性和维护便捷性成为评估和选择泵系统时的核心考虑因素。未来对泵系统的研究应当更多地聚焦于设计的优化、增强系统的持久性和环境适应力、降低振动和噪声水平以及提高运行效率等关键领域。这些改进将提升泵系统的操作性能和长期可靠性，从而满足更广泛的应用需求。
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1.2国内外研究现状
1.2.1流体机械空化理论及模拟研究现状
目前针对流体机械空化状态的数值模拟方法主要基于空泡动力学理论，ManishDeshpande[11]引入了平衡流模型来理论分析空化现象，从而为这一复杂的流体动力学问题提供了一个创新的解释框架。随后的研究者们在平衡流模型理论的基础上，继续扩展和深化了相关模型，形成了一系列更为精细化的空化描述模型。Pardeep Kumar等[12]在综合分析水轮机内部空化现象的研究中，揭示了混流式水轮机中存在四种主要的空化形式：进口边界空化、漂移空泡空化、尾水管涡流空化以及叶片间旋涡空化。这些不同的空化类型都源于特定的流体动力学条件，不同发空化现象均会对水轮机的运行效率和结构安全性有显著影响。Hirschi提出了球形空泡理论，采用界面追踪法对水轮机内部的空化现象进行模拟[13]。Zwart对流体机械内部的空化现象进行更深一步的研究，在流体力学和热力学研究中，深入理解空化效应的机制经常依赖于气体连续性原理和统一平衡流动模型。这两个理论框架使得可以精确追踪和分析流体系统中气泡的动态变化。在这样的理论基础之上，引入了“蒸发核形成率密度”这一新的概念，他提供了一种衡量单位体积内气泡核心因蒸发而形成的速率的定量方法[14]，其研究成果对后续关于流体空化的计算具有深远的影响。Koop在对空化过程气液两相的表述过程中分别引入修正的Tait方程和气体状态方程[15]。以上学者对空化现象的基础理论进行深入的研究，实现对空化过程的准确描述，为如今各种流体机械空化过程的计算与模拟提供基础性的理论。
随着信息技术的发展，流体机械的研制可借助计算机实现计算机辅助设计-制造-优化的一体化设计制造过程。在这一过程中，基于上述基础空化理论借助CAE软件对流体机械的空化性能进行模拟对其制造机性能的提升有着重要意义。洪锋等建立了基于非线性Rayleigh-Plesset方程的空化模型，研究显示，轴流泵中叶片顶部间隙的附着空泡长度随着空化数的减小先是缓慢增加，随后快速上升。此外，轴流泵叶片的背侧，特别是接近轮毂的部分，被确认为最易遭受空蚀损伤的区域[16]。韩吉昂等以喷水推进轴流泵为研究对象，执行了一系列详尽的数值模拟，旨在分析不同叶顶间隙设置下的空化流动特性。模拟结果揭示了空化现象首先在叶轮的入口边缘发生，之后逐渐向叶轮的出口边缘、轮毂以及压力面扩散[17]。靳栓宝等研究探讨了一款轴流泵的抗空化能力。结果显示，为叶轮尾部设计一个光滑、未受阻碍的过流通道并增加叶片数量能有效提高泵的空化性能。
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2轴流泵数值模拟基本理论
2.1数值计算基本方法
2.1.1流场计算基本控制方程
轴流泵工作时内部流动状态为三维湍流流动，工作过程中内部水流的压力、速度与温度等时刻会发生变化[64]。轴流泵多服役于常温常压环境中，考虑理想状态下流体的不可压缩与等温性，则数值计算是连续性和动量守恒方程如下[65,66]：
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2.2边界条件的设置
2.2.1流体计算边界条件设置
本文利用ANSYS CFX软件对轴流泵模型进行数值模拟计算，首先选用SST k-ω湍流模型进行轴流泵定常流动状态下的计算，定常流动状态下计算边界条件设置如下：
（1）轴流泵入口边界条件：恒定质量流量；（2）轴流泵出口边界条件：入口静压；（3）动静交界面边界条件：“Frozen Rotor”形式，（4）静静交界面：“None”形式；（5）壁面边界条件：标准壁面函数。
空化计算在定常计算的基础上完成，本文采用SST k-ω湍流模型和Zwart空化模型，通过入口降压的方式实现空化计算的模拟。空化模拟具体边界条件设置如下：（1）入口边界条件：总压进口；（2）出口边界条件：质量流出口；（3）空化介质：Water Vapour at 25℃。
2.2.2结构振动特性计算边界条件
轴流泵的转子系统由泵轴和叶轮组成，为研究转子系统的动力学特性，建立泵轴和叶轮的三维模型并简化其中的螺纹及螺栓连接，叶轮与泵轴的接触状态采用绑定约束。
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3 轴流泵空化及振动特性分析 ..................... 23
3.1 试验测试与稳态数值模拟模型验证 ....................... 23
3.2 轴流泵空化特性分析 ................................ 24
4 叶顶间隙对轴流泵空化及振动特性的影响 ...................... 41
4.1 叶顶间隙设计方案 .............................. 41
4.2 叶顶间隙对轴流泵空化特性的影响 ......................... 42
5 裙边结构对轴流泵空化特性及振动特性的影响分析 ...................... 54
5.1 叶片裙边结构设计方案....................... 54
5.2 裙边结构对轴流泵外场特性影响 .................... 55
5裙边结构对轴流泵空化特性及振动特性的影响分析
5.1叶片裙边结构设计方案
如前文所述，轴流泵工作过程中吸力面一侧与压力面一侧之间存在较大的压差，压差的存在使轴流泵内部的流体流经叶顶与泵壳壁面之间狭窄的叶顶间隙。当水流以较高的速度流过叶顶间隙时，导致叶顶间隙内的流体压力降低。在叶顶间隙吸力面一侧附近发生明显的流动分离，从而对内部流场稳定的流动造成严重影响导致空化，威胁系统的安全运行。同时考虑其他因素造成的表面空化与前缘空化，致使轴流泵的吸力面叶顶附件成为一个空化密集区域。在叶顶加装裙边结构后，裙边结构增加了节流间隙的长度，从而减小了间隙内部的流量，使因压降产生的空泡不在叶片表面破裂而在流道内破裂。事实上，当裙边结构适宜时，叶片不会因受到空化气蚀受到损坏，因此选择合适的位置设计裙边可以有效抑制叶顶间隙的空化。
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6结论与展望
6.1结论
本文以卧式轴流泵为研究对象，主要研究叶顶间隙对轴流泵空化特性和振动特性的影响，以及对轴流泵叶顶加装裙边结构对轴流泵空化特性的影响。在对原型泵的空化特性和振动特性进行分析的基础上，确定可减小轴流泵空化现象的最优叶顶间隙。对加装叶顶裙边结构的轴流泵空化性能进行分析，总结了不同裙边下轴流泵空化性能的变化规律，为设计具有优异运行性能的轴流泵和降低轴流泵的空化性能提供了重要参考。得到的主要结论如下：
（1）对于原型泵，在泵进口压力达到60kPa时，达到临界空化状态，泵的空化现象多发生于吸力面原型泵内部空化出生于叶片叶顶靠近进口边位置，随着有效空化余量的下降，空泡区域逐渐向叶根和出口边延伸，未达到临界空化状态之前，叶片表面少量的空泡分布对轴流泵内部流体稳定流动状态影响较小。聚集在叶轮附近的气泡会对流体的流动状态产生严重的阻碍，靠近叶轮壁面的流体流经这一区域会因流动情况的复杂性而变得复杂，这会破坏流动的连续性，影响动能向势能的转化，增加泵的流量损失，从而降低流速，进而降低原型泵的扬程。
（2）针对轴流泵的转子系统进行分析，得到了考虑泵轴和叶轮转子系统的固有频率值和相应的振型，进一步的考虑了稳态流体和轴流泵内部空化现象对转子系统固有特性的影响，发现考虑外载作用后叶顶和叶根相对变形量增大，面积也有所增大，但固有频率值基本保持不变，不同空化状态对轴流泵固有频率值影响也较小。
（3）随着叶顶间隙的增大，轴力泵外场特性（扬程与效率）均有所下降，因此在提高轴流泵外场特性角度应尽量减小叶顶间隙。因此从保护叶轮的角度考虑，在1~3mm内，应选择较大的间隙。叶顶间隙在1~3mm范围内，低压区域的分布并非随着间隙的增加单向增加或减小，而是在间隙1.5mm时存在最小的低圧范围，因此综合考虑，从稳定扬程提高做功能力的角度考虑，在1~3mm内选择靠近1.5mm的间隙更好。
参考文献（略）