旋涡泵流道截面的优化设计方法

本发明涉及旋涡泵，尤其涉及一种旋涡泵流道截面的优化设计方法。

背景技术：

1、旋涡泵因流动过程中产生螺旋形旋涡而得名，可以在极小流量下达到较高扬程，其结构相对简单，主要由叶轮、泵室与泵盖组成，叶轮在泵室泵盖组成的环形泵腔内旋转，带动流体在叶轮和环形流道内进行动量交换，这种能量交换的过程在流道内重复多次，使得旋涡泵获得较高的扬程，但也伴随着较大的能量损失，导致其效率处于较低的水平。

2、在旋涡泵工作时，叶轮旋转做功，叶片间流体的圆周速度与流道内流体的圆周速度不同，作用在叶片间流体质点的离心力与流道中流体质点的离心力不同，在离心力的作用下，叶轮内流体在叶片外径处流入流道内，流道内流体在叶片内径处流入叶轮内，两个方向的流体流动形成纵向旋涡。流道作为旋涡泵的关键过流部件，其截面形状对纵向旋涡的形成起着至关重要的作用、且对旋涡泵的性能也起着较为重要的作用。现有旋涡泵流道截面按照设计人员的经验进行选取或适当进行改动，流道截面一般选取为圆形，但在实际设计过程中，由于离心力的作用，流体流动在流道外径区域和内径区域内非对称分布，流线(流体流过的轨迹)趋向于在流道外径区域富集，再加上流体又要沿着叶轮旋转方向前进，使得流体在整个流道截面内呈现出一定的扭曲状态，这样会导致流道对纵向旋涡的引导效果不理想，不能完全带动流体沿着截面外围轮廓进行交换流动，旋涡泵的性能还有一定的提升空间。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：为了解决现有旋涡泵圆形截面流道不能很好地引导纵向旋涡，影响旋涡泵性能的技术问题，本发明提供一种旋涡泵流道截面的优化设计方法，通过对旋涡泵流道截面形状的改变，能够提高旋涡泵的做功能力，进而能够提高旋涡泵的性能。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种旋涡泵流道截面的优化设计方法，流道的截面包括：第一弧形线、第二弧形线以及直线，所述第一弧形线、所述第二弧形线以及所述直线依次连接构成所述流道的截面，所述第一弧形线与所述第二弧形线的交点为a点，所述第一弧形线与所述直线的交点为b点，所述第二弧形线与所述直线的交点为c点，a点在所述直线上的投影点为d点，所述流道的径向长度为lr，b点与d点之间的间距为lr1，c点与d点之间的间距为lr2，a点与d点之间的间距为lh，所述流道截面的面积为s，其中：lr＝lr1+lr2；

3、所述优化设计方法包括以下步骤：

4、s1、选定初始流道的模型，抽取各部分流体域，确定所述流道截面的lr、lr1、lr2、lh以及所述流道的截面面积s；

5、s2、控制步骤s1所述流道截面的lr和lh的数值均保持不变，改变步骤s1中lr1的数值，据此构建不同的所述旋涡泵的模型；

6、s3、获取步骤s2中所述旋涡泵的模型，提取所述旋涡泵模型的外特性，分析得到最优lr1与lr的对应关系；

7、s4、控制步骤s1所述流道截面的lr和面积s的数值均保持不变，改变步骤s1中lr1的数值、lh的数值，据此构建不同的所述旋涡泵的模型；

8、s5、获取步骤s4中所述旋涡泵的模型，提取所述旋涡泵模型的外特性，分析得到最优lr1与lr的对应关系；

9、s6、综合步骤s3中最优lr1与lr的对应关系、步骤s5中最优的lr1与lr的对应关系，形成高效所述流道截面的匹配设计策略。

10、由此，基于旋涡泵内部的流动特性，从b点与d点之间的间距lr1、a点与d点之间的间距lh以及流道截面的面积s三个方面对流道截面形状进行优化设计，通过旋涡泵内部流动三维数值模拟获取旋涡泵外特性最佳时对应的流道截面，弥补了现有旋涡泵流道截面为圆形截面时流动偏离导致纵向旋涡强度较弱的不足，同时，通过“流道截面－旋涡泵性能－纵向流动”这一关系提出了最有利纵向旋涡强度的流道截面形状。

11、进一步地，所述第一弧形线在a点的斜率为k1，所述第二弧形线在a点的斜率为k2，其中：k1＝k2＝0；

12、所述流道截面的面积s通过定积分法求得。由此，能够确保a点为流道截面的最高点，并确保第一弧形线与第二弧形线在最高点a点平滑过渡，这样能够有效避免流动死区的产生，能够更好地引导流体纵向旋涡的形成，从而减少流体流动带来的能量损失。

13、进一步地，在步骤s1中，选定初始所述流道的模型中，lh＝lr1＝lr2＝lr/2。

14、进一步地，在步骤s1中，选定初始所述流道的模型中，所述流道截面的面积s＝π2/2。

15、进一步地，所述步骤s2包括以下步骤：

16、s2－1、控制步骤s1所述流道截面的lr和lh的数值均保持不变；

17、s2－2、控制步骤s1中lr1的数值为lr11＜lr/2；

18、s2－3、控制步骤s1中lr1的数值为lr12＞lr/2；

19、s2－4、构建步骤s2－2、步骤s2－3中不同的所述旋涡泵的模型。由此，由于b点与d点之间的间距lr1、a点与d点之间的间距lh以及流道截面的面积s三个方面的参数改变均会影响流道截面形状，而截面形状的外倾和内倾的主要影响因子是b点与d点之间间距lr1，故先考虑改变b点与d点之间的间距lr1参数改变对旋涡泵流道截面优化设计的影响。

20、进一步地，在步骤s3中，所述旋涡泵模型的外特性包括：纵向旋涡位置系数lv＊、扬程系数nh＊以及水力效率η，所述纵向旋涡位置系数lv＊、所述扬程系数nh＊以及所述水力效率η均通过对所述旋涡泵的模型划分网格并开展全三维流场cfd数值仿真计算而得。由此，纵向旋涡位置系数lv＊能够反映纵向旋涡带动流体进行交换的强度，是对纵向旋涡强度的表征，同时，来源于旋涡泵的内部流动，也是旋涡泵做功能力的具体体现；通过扬程系数nh＊和水力效率η能够从宏观角度对旋涡泵的性能进行评价；开展旋涡泵全三维流场cfd数值仿真可以提高旋涡泵优化设计的效率，节省设计成本，缩短设计周期。

21、进一步地，在步骤s3中，所述最优lr1与lr对应关系的选取规则为：选取步骤s2－2、步骤s2－3中两组所述旋涡泵模型扬程系数nh＊和水力效率η最大值时lr1与lr的对应关系。

22、进一步地，所述步骤s4包括以下步骤：

23、s4－1、控制步骤s1所述流道截面的lr的数值保持不变；

24、s4－2、控制步骤s1中lr1的数值lr13＜lr/2，改变步骤s1中lh的数值为lh3，使得步骤s1中所述流道截面的面积s的数值保持不变；

25、s4－3、控制步骤s1中lr1的数值lr14＜lr/2，改变步骤s1中lh的数值为lh4，使得步骤s1中所述流道截面的面积s的数值保持不变；

26、s4－4、构建步骤s4－2、步骤4－3中不同的所述旋涡泵的模型。由此，在步骤s2中，发现保持a点与d点之间间距lh不变，改变b点与d点之间间距lr1会使得流道截面的面积s发生变化，故再考虑流道截面的面积s不变的情况下，改变b点与d点之间间距lr1对旋涡泵流道截面优化设计的影响，从而能够进一步验证lr1与lr的对应关系对旋涡泵扬程系数nh＊和水力效率η的影响，提高整个优化设计过程的全面性和合理性。

27、进一步地，在步骤s5中，所述旋涡泵模型的外特性包括：纵向旋涡位置系数lv＊、扬程系数nh＊以及水力效率η，所述纵向旋涡位置系数lv＊、所述扬程系数nh＊以及所述水力效率η均通过对所述旋涡泵的模型划分网格并开展全三维流场cfd数值仿真计算而得。由此，纵向旋涡位置系数lv＊能够反映纵向旋涡带动流体进行交换的强度，是对纵向旋涡强度的表征，同时，来源于旋涡泵的内部流动，也是旋涡泵做功能力的具体体现；通过扬程系数nh＊和水力效率η能够从宏观角度对旋涡泵的性能进行评价；开展旋涡泵全三维流场cfd数值仿真可以提高旋涡泵优化设计的效率，节省设计成本，缩短设计周期。

28、进一步地，在步骤s5中，所述最优lr1与lr对应关系的选取规则为：选取步骤s4－2、步骤s4－3中两组所述旋涡泵模型扬程系数nh＊和水力效率η最大值时lr1与lr的对应关系。

29、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

30、1、本发明基于旋涡泵内部的流动特性，从b点与d点之间的间距lr1、a点与d点之间的间距lh以及流道截面的面积s三个方面对流道截面形状进行优化设计，通过旋涡泵内部流动三维数值模拟获取旋涡泵外特性最佳时对应的流道截面，弥补了现有旋涡泵流道截面为圆形截面时流动偏离导致纵向旋涡强度较弱的不足，同时，通过“流道截面－旋涡泵性能－纵向流动”这一关系提出了最有利纵向旋涡强度的流道截面形状。

31、2、本发明从增强旋涡泵内纵向旋涡强度的角度出发，充分考虑了流道截面几何形状对流体流动的作用，依据纵向流动设计流道截面几何形状，有效改善了现有旋涡泵设计方法中理论依据不足的问题，从而大大提高了旋涡泵的扬程和水力效率。