基于平均流動動能輸運的離心葉輪內能量損失及其機理分析

陳為升，黎耀軍，2，劉竹青，2

（1．中國農業大學 水利與土木工程學院，北京 100083；2．北京市供水管網系統安全與節能工程技術研究中心，北京 100083）

1 研究背景

離心泵葉輪內復雜不穩定流動形成的能量損失，是影響泵水力性能和能耗的直接因素，探明離心葉輪內流動特征與能量損失的關系，揭示其能量損失機理，對高性能離心泵水力模型研發及泵系統節能降耗具有重要意義［1-2］。

對離心式葉輪內能量損失的評估，傳統方法常通過輸入功率與輸出功率之差進行計算，多用于確定各過流部件能量損失大小，評價葉輪幾何形狀優化對減小能量損失的影響［3］等，該方法盡管可以獲得過流部件的宏觀能量特性，但無法建立葉輪內能量損失與流動特征的關系，難以為葉輪的水力性能優化和結構改進提供直接參考。從能量耗散角度，Kock等［4］提出了通過積分流場中的能量耗散來計算能量損失的方法，即熵產分析方法。該方法中能量損失分為直接黏性損失和湍流耗散損失兩部分［5-7］，前者為流體物理黏性導致的能量耗散，后者則對應為經耗散尺度湍流轉換為熱能的湍動能。近年來，熵產分析方法已用于研究流體機械內的能量損失特性。基于剪切應力輸運（Shear Stress Transport，SST k-ω）湍流模型所得的流場計算結果和熵產分析模型，Ghorani等［8］發現泵作水輪機運行時，超過80%的能量損失為湍流耗散損失；在雷諾平均模擬（Reynolds-Averaged Navier-Stokes simulation，RANS）方法流場解析的基礎上，不同學者［9-11］采用熵產分析方法研究了混流式水輪機、水泵水輪機及軸流泵等流體機械內能量損失的分布特征，討論了流動特征對能量損失的影響。……