Page 76 - 2021年第52卷第7期

内偏流的形成原因进行了分析，但未提出抑制偏流的措施。现有研究对斜式轴流泵出水流道内部偏
流问题的研究很少，出水流道作为斜式轴流泵装置的重要组成部分，其内部流动特性对泵装置水
力性能和稳定运行具有重要影响，出水流道水力损失可达泵装置扬程的 25%，严重影响泵装置效
率 ［15-16］ ，所以研究斜式轴流泵装置出水流道偏流问题对提高泵装置水力性能具有重要意义。作者前
期进行了偏流试验，但由于试验段在出水流道属于矩形断面的扩散流道，而且断面流态分布不均
匀，很难准确测量流量分布，所以有必要采用数值计算的方法来深入分析偏流特性以及产生的原因。
本文针对斜式轴流泵装置存在的偏流问题，以浙江盐官泵站 15°斜式轴流泵装置为研究对象，采
用数值计算的方法，分析不同工况下出水流道的偏流特性，进而提出抑制偏流的工程措施，为大型
斜式轴流泵站的安全稳定运行提供依据。

2 研究对象与计算模型

2.1 研究对象 研究对象为浙江盐官泵站 15°斜式轴流泵装置模型，叶轮直径为 300 mm，叶片数为 4，
导叶数为 7，转速为 1450 r/min，顺水流方向看叶轮逆时针旋转。模型试验是在天津中水北方公司水力模
型通用试验台上进行的，试验台效率综合不确定度优于±0.3%，详见文献［11，17］。设计工况叶片安放
角为-2°，试验测得最优流量工况点流量为 Q =0.33538 m /s，扬程为 H=7.121 m，效率为η=75.79%。
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数值模拟的计算域包括进水流道、喇叭管、叶轮域、导叶域、出水弯管以及出水流道，为保证
水流入流均匀以及出流稳定，在进水流道前端与出水流道后端分别添加一延伸段，前、后分别延伸 5
倍叶轮直径距离，计算域（未包含延伸段）如图 1 所示。

出水弯管
导叶体
进水流道 喇叭管

出水流道
叶轮

图 1 斜式轴流泵装置计算域 图 2 斜式轴流泵装置网格
2.2 计算模型 对内部流动进行瞬态计算，湍流计算采用 SST k-ω湍流模型 ［18-20］ ，叶轮旋转参考系采

用 SMM 模型，时间步长为 2.2989×10 s，即叶轮旋转一周需要 180 个时间步，进口边界采用总压进
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口，出口边界采用质量流量出口，各固体壁面均按无滑移壁面处理，并根据实际模型参数设置表面
粗糙度，收敛残差标准为 1.0×10 。对结构相对简单的部件采用六面体网格划分，对结构相对复杂的
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叶轮域采用六面体核心混合网格划分，网格划分时，考虑了叶轮及导叶域近壁边界层处理，y ≈1，
+
网格划分结果如图 2 所示。采用基于 Richardson 外推法的 GCI 准则 ［21-22］ 对网格收敛性进行了检查，详
见文献［23］，在保证网格独立性的前提下，最终确定的网格数为 582 万。

3 出水流道偏流特性分析

3.1 数值计算可靠性验证 采用上述计算模型对叶片安放角为-2°条件下进行了数值计算，得到了泵
装置数值模拟的外特性曲线，如图 3 所示，同时在图中也给出了试验获得的外特性曲线。分析可知，
最优流量工况（1.0Q ）下装置模型扬程模拟值为 7.200 m，试验扬程为 7.121 m，相对误差为 1.11%；效
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率模拟值为 75.65%，试验效率为 75.79%，相对误差为 0.18%。数值模拟与试验结果相对误差均不超
过 1.50%，证明本文采用的计算方法能准确地模拟内部流动，可有效保证分析的可靠性。

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