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水 利 学 报

２０２４年 ７月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５５卷 第 ７期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２４）０７ － ０８３８ － １０

吸入涡形成机理及其对离心泵性能的影响

高?!，冯建军，樊 丞，朱国俊，王李科，李晨昊
（西安理工大学 水利水电学院，陕西 西安 ７１００４８）

摘要：泵站运行在淹没深度较小工况下进水池内容易产生吸入涡，影响泵站安全稳定运行。为研究离心泵吸入管
进口前吸入涡形成机理及其对过流部件的影响，本文采用可视化试验捕捉吸入涡动态发展过程，并结合数值模拟
分析了吸入涡的诱因以及对叶轮性能的影响。结果表明：可视化试验验证了数值模拟吸入涡从初生、发展、强化
到保持阶段的准确性。在计算工况下，进水池内会产生贯通吸入涡，空气沿 “漏斗形” 气柱进入吸入管，并以不
断脱落的破碎气囊形式持续进入过流部件；吸入涡形成过程是具有一定周期性的能量聚集－ 维持－ 耗散过程，主要
受大速度梯度影响；吸入涡携气进入吸入管，造成吸入管内部流动紊乱，流速分布均匀度及速度加权平均角均明
显降低，导致叶轮轴向均匀入流假设失效，进而影响叶轮内部流动；吸入涡的发展与叶轮功率、效率有明显相关
性，在其携气过程中，气相聚集导致叶轮流道内靠近叶片吸力面侧产生低速区，叶片正背面压差明显降低，叶片
载荷分布不均，叶轮做功能力降低。
关键词：吸入涡；离心泵；气液两相流动；能量特性；流动特性
＋
中图分类号：ＴＫ７３３．３
文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２３０７４３
１ 研究背景

离心泵具有运行范围宽、效率高及结构简单等优点，因此被广泛应用于各类泵站中 ［１ － ２］ 。现实因素
造就泵站运行条件的复杂性，在大流量且淹没深度较小工况下吸入管进口处经常会形成贯通吸入涡 ［３ － ４］ ，
造成水泵进口不均匀来流，急剧恶化水泵性能，诱发机组振动，严重威胁泵站安全稳定运行 ［５ － ７］ 。
根据形态及携气能力，自由表面漩涡被分为六类 ［８］ ，主要通过模型试验 ［９ － １１］ 与数值模拟 ［１２ － １４］ 进行
［１６］
研究。Ａｎｗａｒ等 ［１５］ 在 Ｂｕｒｇｅｒｓ 的研究基础上提出垂向进水口考虑初始环量的立轴漩涡模式，反映了
漩涡的三维流动特性，并通过模型试验发现，影响漩涡形成的主要因素为环量、流量及进水口淹没深
度。Ｏｋａｍｕｒａ等 ［１７］ 采用高速摄像与 ＰＩＶ技术捕捉表面漩涡与内部漩涡流场特征，提出随流量增大，临
界淹没深度线性增加。Ｙａｍａｓａｋｉ等 ［１８］ 基于 ＯｐｅｎＦＯＡＭ 进行模拟并采用 Ｑ准则精确识别吸入涡，成功
预测漩涡发生位置及形态细节。宋希杰 ［１９］ 基于 ＶＯＦ方法对轴流泵进水池进行数值模拟，对比试验结
果验证了 ＶＯＦ方法对于附底漩涡模拟的准确性。除了吸入涡的形成机理外，吸入涡的抑制措施也是研
究热点之一，部分学者还提出了涡旋阻止发生器 ［２０］ 、防涡板 ［２１］ 、非全段式底坎及八字形导流墩 ［２２］ 、
不同形态导流锥等 ［２３］ 抑涡措施。而在实际工程中，吸入涡会携气、物进入水泵过流部件，将吸入涡与
水泵内部流动结合进行分析是十分有必要的。Ｓｏｎｇ等 ［２４］ 通过 ＶＯＦ方法与 Ｔａｂａｋｏｆｆ模型对自由表面吸
入涡携带泥 沙 现 象 进 行 研 究，发 现 吸 入 涡 携 带 会 改 变 泥 沙 局 部 速 度 与 浓 度，从 而 破 坏 叶 轮 表 面。
Ｚｈａｎｇ等 ［２５］ 采用数值模拟方法与可视化试验对轴流泵进水池内顶板附壁涡进行研究，发现附壁涡会导

收稿日期：２０２３ － １１ － ２９；网络首发日期：２０２４ － ０６ － ２４
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２４０６２１．１８０９．００２．ｈｔｍｌ
基金项目：国家自然科学基金项目（５２０７９１０８，５２３０９１１８）；陕西省博士后基金项目（２０２３ＢＳＨＥＤＺＺ２５６，２０２３ＢＳＨＥＤＺＺ２５７）
作者简介：高?!（１９９８ － ），博士生，主要从事流体机械内流机理研究。Ｅｍａｉｌ：ｌｕｈａｎｇａｏ＠ｓｔｕ．ｘａｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ
通信作者：冯建军（１９７６ － ），博士，教授，主要从事流体机械优化设计、振动与稳定性分析研究。Ｅｍａｉｌ：ｊｉａｎｊｕｎｆｅｎｇ＠ｘａｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ
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