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水 利 学 报

２０２２年 ５月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５３卷 第 ５期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２２）０５ － ０５８６ － １２

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

１
陈为升 ，黎耀军 １，２ ，刘竹青 １，２
（１．中国农业大学 水利与土木工程学院，北京 １０００８３；
２．北京市供水管网系统安全与节能工程技术研究中心，北京 １０００８３）

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 ）和径向 －
θθ
周向分量（Ｐ ）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 ）则减小速度脉动的径向分量，
ｒ θ ｒｒ
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 和 Ｐ
ｒ θ ｒｒ
是产生湍流脉动的主导因素，Ｐ 则对平均流动动能损失起抑制作用。
θθ
关键词：离心叶轮；平均流动动能；湍动能；能量损失；超大涡模拟
中图分类号：ＴＨ３１ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２１０９４８
文献标识码：Ａ
１ 研究背景

离心泵叶轮内复杂不稳定流动形成的能量损失，是影响泵水力性能和能耗的直接因素，探明离心
叶轮内流动特征与能量损失的关系，揭示其能量损失机理，对高性能离心泵水力模型研发及泵系统节
能降耗具有重要意义 ［１ － ２］ 。
对离心式叶轮内能量损失的评估，传统方法常通过输入功率与输出功率之差进行计算，多用于确
定各过流部件能量损失大小，评价叶轮几何形状优化对减小能量损失的影响 ［３］ 等，该方法尽管可以获
得过流部件的宏观能量特性，但无法建立叶轮内能量损失与流动特征的关系，难以为叶轮的水力性能
优化和结构改进提供直接参考。从能量耗散角度，Ｋｏｃｋ等 ［４］ 提出了通过积分流场中的能量耗散来计算
能量损失的方法，即熵产分析方法。该方法中能量损失分为直接黏性损失和湍流耗散损失两部分 ［５ － ７］ ，
前者为流体物理黏性导致的能量耗散，后者则对应为经耗散尺度湍流转换为热能的湍动能。近年来，
熵产分析方法已用于研究流体机械内的能量损失特性。基于剪切应力输运（ ＳｈｅａｒＳｔｒｅｓｓＴｒａｎｓｐｏｒｔ，ＳＳＴ
ｋ － ω ）湍流模型所得的流场计算结果和熵产分析模型，Ｇｈｏｒａｎｉ等 ［８］ 发现泵作水轮机运行时，超过 ８０％
的能量损失为湍流耗散损失；在雷诺平均模拟（Ｒｅｙｎｏｌｄｓ － ＡｖｅｒａｇｅｄＮａｖｉｅｒ － Ｓｔｏｋｅｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ＲＡＮＳ）方
法流场解析的基础上，不同学者 ［９ － １１］ 采用熵产分析方法研究了混流式水轮机、水泵水轮机及轴流泵等
流体机械内能量损失的分布特征，讨论了流动特征对能量损失的影响。尽管熵产分析方法为定量评估

收稿日期：２０２１ － １０ － ２２；网络首发时间：２０２２ － ０４ － ２８
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２２０４２７．１７１５．００１．ｈｔｍｌ
基金项目：国家自然科学基金项目（５１６７９２４０）
作者简介：陈为升（ １９９３ － ），博士生，主要从事水力机械研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｗｓｃｈｅｎ＠ｃａｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
通讯作者：黎耀军（１９７８ － ），博士，副教授，主要从事水动力学与水力机械研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｌｉｙａｏｊｕｎ＠ｃａｕ．ｅｄｕ．ｃｎ

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