Page 92 - 2022年第53卷第5期

高至 ７８．５％。相比设计工况，０．２５Ｑ 工况的总能量损失 Δ ＥＬ减小了 ０．６４８Ｗ，占设计工况总能量损失
ｄ ２
的 ３９．９％，对比两种工况下 Δ ＴＬ和 Δ ＶＬ的量值变化可以发现，Δ ＶＬ的减小对 Δ ＥＬ减小的贡献率约为
２
８４％（０．５４４Ｗ?０．６４８Ｗ≈０．８４）。
－ ２
３．３ 叶轮内流场结构 图 ７所示为采用 Ｑ准则方法 ［３０］ 显示的叶轮内三维湍流结构（Ｑ ＝ ５００００ｓ ），从
图中可以看到，不同流量工况下，叶轮流道内均存在丰富的湍流结构，表明 ＶＬＥＳ方法对离心叶轮内
强旋转湍流结构具有较好的解析能力。对比不同流量的流场结构还可以发现，偏离设计工况时流场中
显示的湍流结构更为丰富，在 ０．２５Ｑ 流量工况，湍流结构分布趋于靠近叶轮流道入口，这主要是因为
ｄ
小流量工况下叶片进口边冲角增加，叶片进口边附近的流动分离加剧，在叶轮流道入口附近形成复杂
的强剪切流动，诱导形成了不同尺度的湍流结构。

图 ７ 叶轮内三维湍流结构

图 ８展示了不同流量下叶轮轴向中间截面的流线与时均速度分布。设计工况，叶轮内部流动较为平
顺，但叶片压力面侧（ＰｒｅｓｓｕｒｅＳｉｄｅ，ＰＳ）存在由 ＰＳ侧脱流产生的低速区；小流量工况下，叶轮内形成了
非堵塞流道（流道 Ａ）与堵塞流道（流道 Ｂ）交替分布的失速流动现象。０．６Ｑ工况，流道 Ｂ内存在吸力面侧
ｄ
（ ＳｕｃｔｉｏｎＳｉｄｅ，ＳＳ）分离涡和 ＰＳ侧分离涡，前者是与叶轮旋转方向相同的顺向涡，后者则为与叶轮旋转
方向相反的逆向涡，两个漩涡对叶轮流道造成堵塞，并与流道内的主流相互作用形成强剪切效应；流道
Ａ内，叶片吸力面侧也存在明显的 ＳＳ侧脱流。０．２５Ｑ工况，流道 Ｂ内的 ＳＳ侧分离涡和 ＰＳ侧分离涡影响
ｄ
范围增大，对流道的堵塞作用增强，流道 Ｂ的通流能力进一步降低，因此通过该流道的流量下降；因流
道 Ｂ出流流量减小，经流道 Ａ流出的流体，在流道 Ｂ出口处向叶轮内偏移，形成出口回流（见图 ８（ｃ））。

图 ８ 流线与时间平均速度分布

不同流量下叶轮内流动结构的改变与叶片进口边冲
角有关。如图 ９所示，当流量较大时，在叶片进口边处
形成负冲角，叶片的压力面易产生 ＰＳ侧脱流。由于本文
研究的离心叶轮叶片前缘未进行修圆处理，且叶片进口
边的尖锐角位于 ＳＳ侧，设计工况下叶片进口易形成负冲
角 ［３１］ ，因此产生了 ＰＳ侧脱流 （图 ８（ａ））。小流量工况，
叶片进口相对液流角的减小将导致叶片进口处形成正冲
角，流道内易产生 ＳＳ侧脱流，当流量进一步降低时，叶
轮内非定常流场的抗干扰能力降低，在流场动态演化过
程中，流道 Ｂ入口快速形成的 ＳＳ侧分离涡将堵塞流道，
将更多的流体排挤入相邻流道（流道 Ａ），进而增加流道 Ａ 图 ９ 流道进口冲角 Δβ 变化示意

— ５ ９ —
２