半开式离心泵叶尖间隙对水力性能与湍流不可逆能量耗散空间演化的影响机制

《Water》：Effect of Tip Clearance on Hydraulic Performance and Energy Dissipation Mechanisms in a Semi-Open Centrifugal Pump

　　

半开式离心泵因具有良好的通流能力和易维护性，被广泛应用于各类流体输送场合。然而，叶片端部与泵壳之间必须保持一定间隙，由此产生的叶尖泄漏会显著影响叶轮内部流动与能量转换性能。已有研究主要关注叶尖间隙对泵头、效率和局部流动结构的影响，而叶尖泄漏诱导的能量损失主要发生位置、不同流动结构对不可逆能量耗散的贡献机制，以及此类耗散如何进一步导致泵性能退化，仍认识不足。研究人员针对9种无量纲叶尖间隙（C_δ）方案开展了稳态全流道数值模拟，并利用实验数据验证数值方法。在分析泵头、效率、轴向力、轴功率、总压、速度和湍动能（turbulent kinetic energy，TKE）分布的基础上，进一步引入熵产理论（entropy production theory，基于热力学第二定律诊断不可逆损失）。结果表明，当无量纲叶尖间隙比C_δ由0.05增至0.25时，泵头由约1.07 m降至0.71 m，降幅约33.6%；效率由约58%降至45%，降幅约13.1%。轴向力由约1218 N降至1197 N，轴功率总体呈下降趋势。与此同时，间隙诱导的流动扰动更加显著，并伴随局部速度梯度和湍流混合增强。高湍流熵产区由叶片端部附近逐步向相邻叶片流道扩展，揭示了间隙诱导的时均流动重构、湍流不可逆耗散与水力性能退化之间的空间联系。

研究背景与问题：离心泵是流体输送系统中的关键动力设备，广泛应用于石化工程、航空航天、制药生产、食品加工、市政工程等工业领域。与闭式叶轮相比，半开式叶轮取消了前盖板，具有结构紧凑、抗堵塞能力好、清洗维护方便、对含杂质流体适应性高等优点。为防止制造公差、转子偏心或运行变形导致叶片端部与静止泵壳发生机械接触，叶片端部与泵壳之间必须保持一定间隙（tip clearance，叶片端部与泵壳内壁间间隙）。然而，在叶片压力面与吸力面压差驱动下，部分流体穿过叶尖间隙形成叶尖泄漏流；泄漏流进入叶片流道主流后可能诱导泄漏射流、回流、二次流和叶尖泄漏涡，在泄漏流与主流界面形成大速度梯度和强烈湍流混合，从而改变叶片载荷分布、叶轮出口流动条件和泵能量性能。已有研究主要集中于叶尖间隙对泵头、效率、泄漏流和涡结构的影响，熵产研究多针对改型叶尖端面或其他叶轮机械；对于叶片几何不变、仅系统改变叶尖间隙的常规半开式离心泵，湍流不可逆耗散的空间演化及其与均流重构的关系尚不充分，尤其不清楚间隙相关耗散是否仅集中于叶尖端部附近，还是随间隙增大逐步扩展至相邻叶片流道主流；总压亏缺、局部速度梯度、TKE与湍流熵产之间的空间对应关系也需进一步澄清。因此，研究人员通过9种系统控制的叶尖间隙方案，在设计流量下隔离流量影响，建立叶尖间隙、内部流动重构、湍流能量耗散与水力性能之间的关系。

研究人员开展的研究与意义：研究人员以Choi et al.实验研究过的低比转速半开式离心泵为对象，建立9种均匀叶尖间隙方案，开展稳态全流道数值模拟，并用实验数据验证数值方法；在分析泵头、效率、轴向力、轴功率、总压、速度、流线拓扑和TKE分布基础上，引入熵产理论分析湍流不可逆耗散。研究得出，随着无量纲叶尖间隙比（C_δ，叶尖间隙宽δ与叶片高度b之比）增大，泵头、效率和轴向力下降，轴功率总体下降，间隙诱导流动扰动增强，高湍流熵产区由叶尖端部附近向相邻叶片流道扩展。其意义在于从不可逆能量耗散角度解释常规半开式离心泵叶尖间隙引起水力性能退化的空间机制，并揭示水力性能与轴向载荷之间的权衡。

关键技术方法（不超过250字）：以Choi et al.实验研究过的低比转速半开式离心泵为对象（模型几何与实验性能数据来源），建立9种均匀叶尖间隙0.4—2.0 mm方案，对应C_δ=0.05—0.25；在设计流量Q_d（design flow rate，设计流量）下开展稳态全流道RANS（Reynolds-averaged Navier–Stokes，雷诺平均Navier–Stokes方程）模拟，采用SST k-ω（shear stress transport k-ω，剪切应力输运k-ω模型）、Stage旋转—静止界面和CFX求解，固体壁面为无滑移壁面；采用N1—N3网格进行GCI（Grid Convergence Index，网格收敛指数）网格独立性检验并选用N2网格，用Choi et al.实验泵头与效率验证，误差≤5%；在总压、速度/流线、TKE分布分析基础上引入熵产理论，计算模型化湍流熵产率E_pro（turbulent entropy production rate，湍流熵产率）。

研究结果：
3.1 叶尖间隙对水力性能的影响：通过9种C_δ方案在设计流量下比较泵头H、效率η、轴向力F_Z（axial force，轴向力）和轴功率P_N（shaft power，轴功率），并给出线性趋势线及R²（决定系数）。C_δ由0.05增至0.25时，H由约1.07 m降至0.71 m，η由约59%降至46%，F_Z由约1219 N降至1198 N，P_N总体下降但在小间隙范围呈弱非单调变化。结论是增大间隙扩大叶尖端部与泵壳间通道，增强压力面与吸力面水力沟通，削弱叶轮向主流有效做功，降低H和η；同时改变叶片压力分布，降低F_Z，间隙选择需兼顾水力性能、叶轮载荷和运行安全。

3.2 不同叶尖间隙下内部流动与能量耗散特征：通过选取C_δ=0.05、0.125、0.25三个代表方案，比较总压、速度矢量与流线、TKE和E_pro分布。随C_δ增大，叶轮内总压水平降低，低总压区由叶片附近向流道内部扩展；叶尖端部附近高速区更显著，流线偏转和局部回流增强，局部速度梯度增大；高TKE区主要集中于叶片表面尤其叶尖端部及泄漏流与主流相互作用区，并随间隙增大向相邻叶片流道扩展；高E_pro区由叶片表面和端部附近逐步扩展至相邻流道、泄漏流相互作用下游及强局部剪切区。大速度梯度、高TKE和高熵产区具有明显空间对应，表明叶尖间隙附加能量损失不仅限于狭窄间隙内部，还来自泄漏流进入叶片流道后对主流的二次改造。

3.3 叶尖间隙诱导的能量耗散机制：综合分析外部性能、内部流动特征和熵产率分布表明，叶尖间隙对半开式离心泵能量性能的影响本质上源于叶尖泄漏流诱导的局部流动重构和不可逆能量耗散增强。间隙通道在叶片压力面与吸力面之间形成水力旁路；间隙流改变叶尖端部及相邻叶片流道内速度和压力分布，造成局部速度梯度、剪切和湍流混合增强，使高E_pro区扩大，同时削弱叶片两侧压力分布和叶轮有效功输入，最终降低总压、H和η。因此，间隙影响包括叶尖端部局部流动恶化和对叶片流道主流的间接影响。

讨论部分总结：研究局限包括：虽用实验泵头和效率验证数值模型，但缺乏与局部速度、TKE和熵产场直接匹配的实验测量，局部场结果主要在不同间隙方案间作相对比较；稳态RANS与Stage界面给出时均流场，不能解析瞬时叶尖泄漏涡演化、转子—静子干涉和压力脉动；所用熵产公式仅考虑模型化湍流贡献，并非直接黏性、湍流和壁面相关熵产的完整分解；参数分析仅限设计流量，不能直接外推至部分负荷或超负荷。未来需结合局部流动测量、非定常模拟和更完整熵产分解，并扩展至偏离设计工况。

研究结论翻译：
（1）叶尖间隙显著影响半开式离心泵水力性能。C_δ由0.05增至0.25时，泵头由约1.07 m降至0.71 m，效率由约59%降至46%，轴向力由约1219 N降至1198 N，轴功率总体呈下降趋势。增大叶尖间隙扩大间隙通道，削弱叶轮向主流有效做功，降低泵头和效率；同时叶片两侧压力分布改变，使轴向力降低。
（2）增大叶尖间隙显著改变间隙区流动结构。随C_δ增大，叶尖间隙区中面总压整体降低，低总压区逐渐扩大；叶尖端部局部高速流更显著，速度梯度增大，泄漏流与主流间剪切增强；高TKE区主要集中于叶尖端部及邻近区域，并随间隙增大而扩展，表明泄漏流与叶片流道主流间动量交换和湍流混合增强。
（3）湍流熵产率分布表明，叶轮内主要高能量耗散区集中于叶片附近、叶尖泄漏流与主流相互作用区以及叶片下游高剪切区。随叶尖间隙增大，高熵产区总体扩大并逐渐延伸至相邻叶片流道；这些区域与局部大速度梯度和高TKE区空间对应良好，表明叶尖泄漏流诱导的黏性剪切和湍流混合是叶尖间隙附加能量损失的重要来源。
（4）叶尖间隙相关能量耗散包括叶尖端部局部损失和对叶片流道主流的间接损失。增大叶尖间隙增强间隙区流动扰动，伴随更大局部速度梯度、更强剪切和湍流耗散；受扰流动随后与主流相互作用，改变局部流向和叶片载荷分布，增强回流和湍流混合，使高耗散区由叶尖端部附近向叶轮流道内部扩展。因此，叶尖间隙对泵性能的影响来自间隙诱导流动重构和不可逆能量耗散增强的共同作用。
（5）兼顾水力性能和内部流动特征，适当减小叶尖间隙有利于减轻泄漏诱导流动扰动、降低内部能量耗散并提高泵头和效率；但较小叶尖间隙也会导致叶轮轴向力增加。因此，所研究设计工况下结果揭示水力性能与轴向载荷之间的权衡，而非给出普适最优叶尖间隙。实际间隙选择还应考虑制造公差、结构变形、磨损和运行安全。当前分析集中于设计工况，叶尖间隙与强偏离设计流量对泄漏结构、非定常行为和能量耗散的耦合影响仍有待未来系统研究。