Page 94 - 2022年第53卷第5期

能量转换为湍流脉动、造成平均流动动能损失的重要因素。

图 １１ 叶轮内能量损失分布

３．５ 平均流动动能损失机理分析 ３．４节的分析表明，产生湍流脉动对应的能量损失与叶轮内强剪切
流动直接相关。值得注意的是，当流量由 １．０Ｑ 减小至 ０．２５Ｑ 时，尽管叶轮内流场结构存在明显差
ｄ
ｄ
异，但湍动能生成对应的平均流动动能损失 Δ ＴＬ下降幅度则仅为 １１．９％（见表 ３）。为进一步探明流动
特征与平均流动动能损失的内在关联，本节进一步分析叶轮中湍动能生成机制，揭示不同流动结构对
湍动能生成的影响，以阐明平均流动动能损失的机理。
定量分析表明，Δ ＴＬ（ｒｅｓ）在 Δ ＴＬ中的占比超过 ９０％（见表 ３），且叶轮轴向中间截面内总的 Ｐ 与
ｔｏｔａｌ
Ｐ 分布相近（近壁区除外），因此，分析直接求解的湍动能生成项 Ｐ 与流场特征的关联，可以揭示
ｋ － ｒｅｓ ｋ － ｒｅｓ
叶轮内湍动能生成的主要影响因素及平均流动动能损失机理。在圆柱坐标系内，Ｐ 可分解为：
ｋ － ｒｅｓ
Ｐ ＝－ρ 〈ｕ′ｕ′〉〈  ｕ?  ｘ〉＝－ρ 〈ｕ′ｕ′〉〈Ｓ〉 －ρ 〈ｕ′ｕ′〉〈Ｓ 〉 －ρ 〈ｕ′ｕ′〉〈Ｓ 〉
ｋ － ｒｅｓ ｉ ｊ ｉ ｊ ｒ ｒ ｒｒ ｒ θ ｒ θ θ θ θθ
（１３）
Ｐ ｒｒ Ｐ ｒ θ Ｐ θθ
－２ ρ 〈ｕ′ｕ′〉〈Ｓ 〉 －２ ρ 〈ｕ′ｕ′〉〈Ｓ〉 －２ ρ 〈ｕ′ｕ′〉〈Ｓ〉
θ ｚ θ ｚ ｚ ｚ ｚｚ ｚ ｒ ｚｒ
Ｐ θ ｚ Ｐ ｚｚ Ｐ ｚｒ
式中 ｒ、θ 和 ｚ分别为径向、周向和轴向三个坐标方向。
图 ８表明，不同流量工况下，叶轮内的时间平均流动结构存在明显差异。在 １．０Ｑ 工况、０．６Ｑ 工
ｄ
ｄ
况和 ０．２５Ｑ 工况，分别选取特征位置 ０．６５Ｒ（ＰＳ侧脱流流动区域）、０．５Ｒ（ＰＳ与 ＳＳ侧脱流及分离涡
２
２
ｄ
流动区域）和 ０．９８Ｒ（出口强剪切流动区域），分析 Ｐ ｋ － ｒｅｓ 不同分量沿周向的分布特征及对能量损失的贡
２
献，以揭示叶轮内叶片表面脱流、分离涡和失速流道出口回流等流动结构中湍动能生成的主导因素及
和平均流动动能损失机理。
不同特征位置的 Ｐ 分量 分布 如图 １２所 示。从图中 可 以 看到，湍 动能 生 成 项 径 向 － 径 向 分 量
ｋ － ｒｅｓ
（Ｐ ）、径向－ 周向分量（Ｐ ）和周向－ 周向分量（Ｐ ）在量值上高于其余三项，是平均流动动能与湍动能
ｒｒ ｒ θ θθ
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