在水泵运行过程中，要求水泵系统能够尽量在满足流量需求的同时，也能满足扬程的需求，同时提高效率节约能源。目前工业应用最广泛的泵型为离心泵，其特点为扬程高，并可广泛应用于电力、冶金、煤炭和建材等行业。在整个水泵系统中，水泵的运行工况对水泵系统的水力特性有着重要影响。直接影响体现在泵运行时的流量和扬程，并且会间接影响水泵机组系统在运行过程中的稳定性。

事实上，水流在进入水泵叶轮之前除了具有轴向分速度外，还存在切向速度，使水流当中存在预旋。预旋的存在会改变叶片上速度三角形中进口速度向量，从而使水泵运行特性发生变化。研究显示，在进水设计不良的水泵进水建筑物中，水泵进口也存在着预旋，吸水管内同样分布着涡流。并且涡流在离心泵入口侧管段中的形成过程主要是经历了一个从无旋运动到有旋运动的变化过程。因此我们选择在混流泵进口处设置挡板，用以减小预旋对泵效率的影响。至今，对于挡板数量和位置对泵的影响的研究报告成果并不多，故对于挡板对于单级泵水力性能的影响有必要进行研究。

如今计算流体力学(CFD)技术发展迅速，如Ansys-CFX、Fluent等功能软件在模拟流体机械的内部流场中的应用越来越广泛，并且数据模拟结果和实际情况在大部分情况下相当吻合。故在本研究中正式采用了Ansys软件中的CFX对一种单级泵流态进行了数据模拟分析。

研究对象与数值模拟

研究对象

在此次研究当中，泵体的主要设计参数如下：设计流量QN=144 m3/h;转速n=2 950 r/min;轴功率P0=311.5 kW;介质为清水。

通过三维建模软件SIMENS-NX8.0建立的泵体吸水室计算模型如图1所示，泵体的计算区域由以下4个部分组成，分别是：进水管、叶轮、压水室和出水管。在进出口不进行额外处理，以正常反应回流对模拟结果产生的影响以及体现挡板对模拟结果的影响(图中为吸水室模型，方框中为挡板位置)。

网格划分

计算区域中，进出水管以及压水室采用专业的前处理软件ICEM进行网格划分，叶轮通过AnsysTurboGrid软件进行网格划分。为了研究挡板位置以及数量对混流泵小流量工况的影响，一共设置了4种方案(如表格1所示)。表1中还包含不同方案环形吸水室的网格质量与数量。针对文中混流泵模型进行网格独立性分析，得出不能将整个计算区域简化为一个流道，需要对整个流域分别进行网格划分，再综合,一个计算域，经过分析得出整个计算域的网格数大约为1 300万个(注：R代表泵体进口半径)。

计算方法

采用Ansys CFX求解混流泵，模型选用SST k-ω模型，该模型是由Menter发展而来，以便可以在广泛的领域中独立于k-ε模型，使得在近壁自由流中k-ω模型有广泛的应用和精度。为了达到此目的，k-ε模型变成了k-ω公式。SST k-ω模型和标准的k-ε模型相似，但在不同流域实用度以及精确度上高于标准的k-ε模型。其中SST k-ω在湍流粘度上考虑到了剪切应力的传播，同时模型常量也有一定不同。因此SST k-ω更适用于复杂的流场计算。

其方程形式如下：

式中，Gk表示湍流的动能，Gω为ω方程，Γk和Γω分别代表k与ω的有效扩散项，Yk，Yω分别表示k与ω的发散项。Dω表示正交发散项。Sk与Sω用户自定义。

这个方程与标准的k-ω模型不同，标准k-ω中，α∞为一个常数，而在SST模型中，α∞方程如下所示：

为得到较精确的计算值，设置其边界条件如下：进口边界条件，进口采用质量流量进口边界条件，参考流速设置为3.6 m/s;边界出口条件，采用总压出口，参考压力设置为0.1 MPa。

计算结果与分析

叶片表面压力

在液体内，局部压力降低的时候，会使得液体内部或固液交界面上出现气体空泡的形成、发展以及溃灭过程，我们将这种现象称之为空化现象。在液体当中的物体受到空化现象的影响后，会出现变形和腐蚀等称为气蚀现象的产生。通常我们会选择在易发生气蚀区域涂上抗气蚀材料，但相应则会增加成本。更好的方式就是在设计水泵时，进行模拟，通过叶片表面压力反馈更改设计。

如图2所示为入口挡板数量及高度设置不同的情况下，在水泵叶轮轮毂中心位置的水泵叶片表面的静压分布云图。其中，通过在水泵进口未设置挡板与设置挡板不同情况的比较，可以得出设置挡板后叶片压力分布明显优于未设置挡板，且设置一块挡板与设置两块挡板并没有太明显的区别。再观察叶片压力面与吸力面压力，在方案2中，叶片压力面与吸力面压力差较小;通过观察数据，方案3显示出其叶片压力差大小位于方案1和方案2之间。

叶轮进口轴面流场

如图3中所示叶轮进口处截面图。对比方案1与方案2，明显在增加挡板后，挡板有效改变了靠近叶轮室壁面的螺旋型回流的连续性，有效减小了出现回流的区域，增加了轴向主流区域。同时再横向比较方案2与方案4，选择增加两块挡板后，叶轮室壁面附近的回流区域差异并不大。相较于方案2，方案3所产生的回流区域略大，但也小于方案1中所示区域。

再观察图3中轴面上叶轮进口速度分布图。方案1中，在叶轮进口边缘出现明显回流，回流造成了叶轮进口流道的堵塞，使得水泵有效过流面积减小，并且在流道中间也存在涡流。而方案2、3和4中显示叶轮进口处的挡板有效地阻断了叶轮进口回流的连续性，减弱了回流沿着径向和轴向的发展，有效减小了回流对于叶轮进口通道处的堵塞程度，提高了扬程。三种方案中，方案2中效果为最优，方案4效果较差。

效率扬程对比

通过模拟，可以得到在同样工况下，方案1~4的效率与扬程(见表2)。相比较之下，可以得出方案2~4的效率及扬程明显高于方案1，方案3的扬程与效率高于方案4，而略低于方案2。

总结

根据模拟结果，可以得出叶片工作面附近压力比背部附近压力大，以及压力与速度有较大关联性等结论。在环形压水室，设置挡板在一定程度上限制了叶轮进口回流的连续性，抑制了回流的发展。但在设计挡板改善进口流动状况时，挡板数量的增加并不能保证得到较好的流态，仅增加挡板数量甚至会导致进口流动状态变差。挡板高度增加会使水泵进水口流动状态得到优化，而对于稳定运行区性能无太大影响。对比方案2与方案4，效率相差不大，但基于几何强度考虑，方案4中的隔板铸造困难，经济效益考虑方案2更合算，故考虑实际制造时会选用方案2。

图3 模型网格划分