Page 69 - 2023年第54卷第12期

优于原型离心泵；在额定流量和大流量工况下，方案二的扬程和效率均高于方案一和方案三。因此，
相比于方案一和方案三，方案二的水力性能较优，且优于原泵。这说明，经过反问题设计后得到的离
心泵的水力性能得到了提高。
５．２ 固液两相流场验证 为验证固液两相流，选取文献［３２］中一个圆管为研究对象，如图 ９所示。
对圆管采用与离心泵相同的模型进行计算，并将所得固相浓度分布计算结果与试验值进行对比。圆管
３
＝ ２６５０ｋｇ?ｍ ，颗粒粒径 ｄ＝ ９０μ ｍ。
参数和含沙条件为：管径 Ｄ ＝ ０．１５ｍ ，管长 Ｌ ＝ ３ｍ 。颗粒密度 ρ ｓ ｓ
ｐ
＝ １５％，进口流速 ｖ ＝ ３ｍ?ｓ 。
进口含沙体积分数 α ｖｆ ｌ
图 １０给出了图 ９中线 １上固相浓度计算值和试验值对比。线 １为分析固相浓度分布的位置，距圆

? 为固相浓度的相对值；ｙ ＝ ｙ?Ｄ，Ｄ为管径，ｙ为线 １上点的坐标值。
管进口 ３Ｌ?４。图中 α ｓ α ｖｆ
ｐ ｐ
由图可知，固相浓度计算值与实验值的整体分布趋势相近，误差最大为 ８．９％，在可接受的范围
内。由此说明，本文所采用的固液两相流计算模型合理、可靠，离心泵固液两相流计算结果可以用于
进一步的内流场分析。

图 ９ 计算圆管示意图 图 １０ 固相浓度计算值和试验值对比

５．３ 叶轮水力损失对比分析 叶轮损失是离心泵水力损失的
重要组成部分，离心泵性能优劣很大程度上与叶轮性能直接
相关。图 １１给出了原泵和 ３种方案得到的叶轮水力损失的对
比。图中，Ｈ为扬程，Δ ｈ为叶轮水力损失，计算公式如下：
Ｍ ω Ｐ ｔｏｔ － ｉｎ － Ｐ ｔｏｔ － ｏｕｔ
Δ ｈ ＝ － Ｈ － （７）
ρ ｇＱ ρ ｇ
式中：Ｍ为轴的扭矩；ω为旋转角速度；Ｑ为流量；Ｐ 为
ｔｏｔ － ｉｎ
蜗壳进口总压；Ｐ 为蜗壳出口总压。
ｔｏｔ － ｏｕｔ
由图可知，３种方案得到的叶轮水力损失均小于原泵叶
图 １１ 原泵和 ３种方案得到叶轮水力损失对比
轮；在额定流量和大流量工况下，方案一和方案二的叶轮水
力损失最小；而在小流量工况下，方案一和方案二的叶轮水力损失与方案三基本相同。由此可知，方
案一和方案二得到叶轮水力性能最优。
５．４ 叶轮磨损特性分析 为了分析 ３种方案对叶片磨损性能的影响，图 １２给出了不同工况下，３种
方案与原泵叶片工作面和背面的磨损云图对比。由图可知，叶片背面的磨损大于工作面；１．０Ｑ工况下
ｒ
的叶片的磨损与 ０．６Ｑ工况具有相似的特性；但 １．０Ｑ工况下叶片磨损分布区域略大于 ０．６Ｑ，这可能是
ｒ
ｒ
ｒ
因为 １．０Ｑ工况下流场流速大于 ０．６Ｑ工况，而流速是影响壁面磨损的重要因素。叶片的磨损主要集中在
ｒ ｒ
叶片进口边和叶片尾部，中部磨损较小，工作面尾部的磨损大于背面尾部。在各工况下，３种方案得到
的叶片磨损严重区域明显小于原泵叶片，磨损性能得到提高；而对比 ３种方案磨损区域大小基本相同。
为了验证叶片磨损分布计算的准确性，图 １３给出了罗先武等 ［３３ － ３４］ 通过试验研究叶片表面磨损结
果而统计得到的离心泵叶片磨损情况图。由图 １３可知，在各种工况下，磨损严重区域为叶片头部和
尾部，工作面尾部的磨损最严重。而图 １２给出的叶片磨损分布的计算结果也得到了类似的结论，这
就证明本文的数值结果是合理可靠的。

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