混流泵是一种介于离心泵与轴流泵之间的泵型,兼具两者的优点,除了扬程高、流量大和高效区宽,而且结构紧凑、对驼峰现象有较好的改善,在众多领域得到了越来越广泛的应用。混流泵内部流动极其复杂,各种涡结构的产生和演变会严重影响内流场、外特性以及日常运行的稳定性。传统的速度场和压力场分析并不能全面揭示流场真实的流动情况,因此,采用涡动力学分析混流泵内流情况,变得更加重要。通过涡识别技术可以获得混流泵内部的精细涡结构,识别涡的大小、位置和演变规律,进而能够更加清晰的了解泵内部的流态,为混流泵的内流诊断和优化设计提供指导和新的思路。本文在西华大学省部级学科平台开放课题项目“导叶式混流泵变工况内流分析及鲁棒性优化设计研究”的资助下完成,以上海某泵企生产的一型号为HM350-600的导叶式混流泵为研究对象,在对其内部流动进行大涡模拟的基础上,开展涡动力学分析和诊断研究,主要研究工作和结论如下:1.采用大涡模拟方法得到了混流泵内部压力场、速度场和涡量场的分布规律,对比分析了三代涡识别方法在混流泵内部旋涡结构识别中的适用性,研究表明:与第一代涡量准则法相比,以螺旋度法、Q准则和λ₂准则为代表的第二代涡识别方法更能获得详细的混流泵内部的涡结构。其中,Q准则能剔除绝大部分的剪切层影响,较其它涡识别方法更好地捕捉混流泵内部的涡结构,显示的涡大小更加精确,但第二代涡识别方法的识别受阈值影响较大,过度依赖使用者的经验。第三代涡识别方法——Ω方法和Liutex方法在混流泵涡结构的识别中虽能剔除壁面剪切层的影响,叶轮部件的识别结果较差,导叶部件的识别结果较好,Ω方法中ε的取值会极大影响涡识别结果,同样需要人为调整出合适的值。因此,综合多个因素,Q准则更适用于混流泵内流场的涡识别,在涡结构以及涡大小的显示方面都具有优势,可用于旋转机械内流场的分析。2.基于BVF诊断以及Q准则涡识别技术,对混流泵内部非稳态流动特性和涡结构演化规律进行研究,其中Q准则不考虑阈值问题,仅进行定性分析。分析发现:BVF峰值出现在叶轮叶缘处及出口边和导叶进口边近轮缘处及压力面近轮毂,以上区域的BVF正负峰交替出现,压力梯度大,容易出现不良流动,与Q准则识别出的涡结构相匹配;叶轮叶缘分离涡受进口旋涡以及叶片分流的影响,在一个周期内涡结构先增大后减小,涡量由负向逐渐转化为正向,叶轮通道涡经2/6T进行一次破碎重组,产生变化的根源是附面层的汇聚和脱落,叶轮尾缘脱落涡的脱落离不开附面层的分离,演化的规律是经2/6T进行一次分裂和合并,涡量值未发生太大变化;导叶通道涡来自进口处旋涡的发展以及附面层的分离,正向涡整体变化不大,负向涡在一个周期内,先逐渐汇合,后逐渐断裂,尾缘脱落涡受尾缘附面层以及叶缘处正向涡的影响,在周期内,整体逐渐减小,正向涡不断耗散消失,负向涡拉伸合并;尾水管内的涡结构在周期内呈现逐渐减少的趋势。3.基于Q准则的定量分析结果,选取合适的Q值,对0.6Q_N、0.8Q_N、1.0Q_N三种工况下混流泵的内流场和涡结构进行对比分析,研究发现:当流量较小时,泵内三维流线较为复杂,出现涡的地方较多,涡团的面积较大,严重堵塞流道,加剧不良流动的产生和能量损失;涡量场中涡量分布的面积和涡量值偏大,随着流量的增大,流场中的流态趋于稳定;通过Q准则识别出的涡结构与流量值密切相关,0.6Q_N工况下,涡团主要存在叶轮轮缘、叶轮轮毂、叶片附近和导叶通道,涡结构尺寸较大,既存在正向涡,也存在负向涡,涡的强度较大,分布较为杂乱,没有规则的形状和规律;流量不断增加,涡团数量及强度不断减小,低涡区的面积大于高涡区的面积,在1.0Q_N工况下涡分布具有对称性,均匀分布在各个通道内。