微型高速离心泵间隙诱导能量损失与涡动力学研究

《International Journal of Heat and Fluid Flow》：Investigation on tip Clearance-Induced energy loss and vortex dynamics of miniature High-Speed centrifugal pump

　　

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  在微型高速离心泵中，叶轮的能量损失最大。
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  顶部泄漏流主导叶轮能量损失。
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  远离蜗壳的流道显示出紊乱的流线结构和复杂的涡流现象。
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  科里奥利力引发顶部泄漏涡，涡量拉伸则主导其演变过程。

引言

微型高速离心泵具有扬程高、布局紧凑和占地面积小等特点，在石化、航空航天和生物医学行业展现出广阔的应用前景（Guo等，2021；Wang等，2026）。在微型高速泵设计中，常采用开式叶轮以降低轴向力，从而在叶轮与泵壳之间形成顶部间隙。流体通过该间隙从高压侧向低压侧泄漏，形成顶部泄漏流。泄漏流与主流之间的相互作用诱发出复杂的顶部泄漏涡结构，不仅引发严重的能量耗散，还加剧空蚀现象，削弱泵的抗空蚀能力和运行稳定性（Chao等，2024）。此外，与同类泵相比，微型高速离心泵对顶部间隙变化的敏感度更高，间隙变化对其水力效率、扬程输出和空蚀性能的影响更为显著（Zhou等，2024）。

近年来，众多研究人员对流体机械中的顶部间隙问题进行了广泛的实验和数值研究。Guo等（2023）对高速离心泵进行了研究，发现顶部间隙对泵扬程和效率的影响具有流量依赖性。在大流量工况下，增大顶部间隙可同时提升扬程和效率，并减轻间隙射流对叶轮的影响。Zhou等（2024）对微型高速离心泵进行了数值和实验测试，结果表明这些泵对顶部间隙大小高度敏感，且较小的间隙尺寸可获得最优的内部流动稳定性。Zhang等（2019）对多相泵进行了数值研究，得出叶间间隙泄漏流与主流之间的夹带效应随间隙增大而加剧，伴随涡区扩展和泄漏流量升高的结论。Wang等（2024）对配备全开式叶轮的微型离心泵进行了数值模拟。结果表明，泵的扬程和效率均随顶部间隙增大而下降。Xiaoqi等（2024）发现，顶部间隙对轴流泵中能量损失的影响随工况不同而变化：在设计工况下，损失源于轴向回流；在临界失速时损失达到最大值；在深度失速时总损失减小，增大间隙可缓解流场不均匀性。上述文献表明，顶部间隙是影响泵水力和流场结构的重要因素之一。

顶部泄漏流对离心泵的安全稳定运行产生显著的负面影响。顶部泄漏流与主流相互作用，在顶部间隙内产生各种复杂的涡结构并引发空蚀现象，严重削弱泵的运行稳定性（Liu和Tan，2018；Yu等，2024）。因此，研究顶部泄漏流及其相关泄漏涡至关重要。Wang等（2019）采用剪切应力输运（SST）k-ω湍流模型对顶部间隙为0 mm和1 mm的离心泵全流道进行了模拟。顶部间隙内生成的泄漏涡使泵扬程降低18.7%，效率降低14.4%，且在高流量工况下性能退化更加严重。在此基础上，Wang等（2021）提出T型叶片以优化离心泵。优化后的叶片有效降低了水力损失，提高了欧拉扬程，改善了整体水力性能，最大扬程和效率分别提升3%和1.6%。Qian等（2022）采用创新的Ω涡识别准则对半开式离心泵进行了数值模拟。在大流量条件下，次级泄漏涡在叶片出口附近出现；而在低流量条件下，则产生前缘溢流和回流涡。Zheng等（2020）结合雷诺平均Navier-Stokes方程和SST k-ω模型，分别模拟了考虑和不考虑顶部间隙流的离心泵。结果表明，间隙流使泵的水力性能恶化并显著加剧压力脉动，两种工况间压力脉动最大幅值差可达65.34%。这些结果进一步证实，间隙流与主流发生碰撞和混合，在叶轮进口处产生多种涡结构。Lin等（2023）对桶式泵系统进行了计算流体力学（CFD）模拟。随着流量升高，顶部间隙大小对泄漏流的影响减弱，伴随泄漏流量减小、顶部泄漏涡涡量强度衰减以及泄漏涡与叶片吸力面之间距离增大。现有关于泵内泄漏流的研究主要集中在其对泵水力性能和压力脉动的影响上，而对内部流场演变规律和顶部泄漏涡固有特性的深入研究仍显不足。

熵产理论已被广泛应用于量化水力机械中的不可逆能量损失，并进一步用于研究顶部泄漏流效应以及指导泵结构优化以延长使用寿命（Ji等，2026；Zongku等，2026；Gong等，2024）。Kan等（2022）对轴流泵进行了数值模拟，发现顶部泄漏流及其诱发的顶部泄漏涡是能量耗散的主要贡献者，湍流耗散主导了总损失，且最佳效率点附近的影响最为显著。Xin等（2022）运用熵产理论表征离心泵中的损失分布，揭示出壁面剪切应力和涡结构（特别是由流动分离和回流诱发的涡）是不可逆损失的主要水力来源。Wang等（2023）将CFD与熵产分析相结合，研究空蚀流动，表明湍流速度脉动和高速涡会显著增加熵产。Li等（2024）结合数值与实验方法研究离心泵，发现减薄叶轮后缘可有效抑制不可逆损失和熵产。Fan等（2022）采用重整化群（RNG）k?ε湍流模型结合熵产方法对多级离心泵进行分析，报告了涡结构和流动分离会产生显著的附加熵产，尤其是在叶片区域。Kan等（2023）基于熵产方法研究轴流泵中顶部泄漏涡的能量损失，发现湍流耗散是主要的损失来源。增大间隙会导致涡核向外移动；涡量拉伸项主导泄漏流的空间发展，而科里奥利力主要影响涡核位置。上述研究表明，熵产理论可以量化由涡结构和分离流引起的能量损失，而这些现象与顶部泄漏密切相关。因此，本文采用熵产理论来分析微型高速离心泵中顶部间隙引起的能量损失。

各类泵的顶部间隙问题已被广泛研究。然而，针对微型高速离心泵的相关研究仍然稀缺，现有文献大多仅讨论顶部泄漏流对水力性能和压力脉动的宏观影响，对内部流动演变机制、涡轨迹发展以及关联能量耗散特性的深入分析有限。此外，传统的涡识别方法仍被广泛采用，但不足以捕捉微型泵中复杂的涡动力学。因此，本研究致力于全面探究微型高速离心泵中顶部泄漏引起的流场结构和能量损失机制。

本文采用RNG k?ε湍流模型结合熵产理论，对微型高速离心泵进行数值模拟。分析不同流量条件下的能量损失分布，并通过Ω涡识别准则和涡量输运方程研究顶部泄漏涡的演变机制。本研究旨在为微型高速离心泵的安全高效设计提供理论指导。

章节摘要

物理模型与计算模型

本文研究对象为微型高速离心泵，其主要参数和几何尺寸列于表1。数值模拟在泵的全流道上进行，如图1所示。为确保进入叶轮的水流充分发展，避免出口回流的影响，从而保证数值模拟的准确性，对进出口进行了分别延伸。整个计算域

熵产分析

图10展示了不同流量条件下整个计算域内的总熵产和湍流熵产。各流道部件占总熵产的比例在不同流量条件下基本保持不变。能量损失主要集中在叶轮、后泵腔和蜗壳，三者合计占所有熵产的90%以上。叶轮贡献约35%的熵产

结论

综合多种数值模拟和理论分析方法，本文对高速微型离心泵的能量损失特性和内部流场进行了研究，主要结论总结如下：

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  基于熵产理论分析了离心泵的内部能量损失。各泵内部件的总熵产比例在不同流量条件下保持稳定，主要分布在

CRediT作者贡献声明

Rui Yang：撰写——初稿、可视化、软件、数据管理。Wei Jiang：指导、调查研究、数据管理。Tianxiao Yang：可视化、方法论。Yankai Liu：项目管理、形式分析。Hanyu Song：概念设计。Yuchuan Wang：概念设计。Diyi Chen：资源支持。

资助

本工作得到国家自然科学基金（批准号51809218）和陕西省自然科学基金基础研究计划（批准号2023-JC-YB291）资助。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

Rui Yang|Wei Jiang|Tianxiao Yang|Yankai Liu|Hanyu Song|Yuchuan Wang|Diyi Chen