CN111400941A - 一种叶片泵内部回流及回流旋涡空化的数值预测方法 - Google Patents

一种叶片泵内部回流及回流旋涡空化的数值预测方法 Download PDF

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CN111400941A CN201910006042.9A CN201910006042A CN111400941A CN 111400941 A CN111400941 A CN 111400941A CN 201910006042 A CN201910006042 A CN 201910006042A CN 111400941 A CN111400941 A CN 111400941A
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付燕霞
王振清
范猛
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Jiangsu University
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Abstract

本发明公开了一种叶片泵内部回流及回流旋涡空化的数值预测方法，用于预测叶片泵运行在小流量工况下其内部回流及回流旋涡空化现象。包括：步骤1)在CFD软件中分别对不同工况下泵内部流动的定常及泵内部空化流动进行数值计算，提取流场信息，获取叶轮空泡分布。步骤2)基于步骤1)的数值计算结果，进行泵内部非定常流动的数值计算，设置相关压力脉动监测点。对典型的工况点进行非定常数值模拟，提取流场与压力脉动信息。步骤3)基于步骤2)对比各监测点的主频，并对压力脉动信号进行相位相关性分析，获取不稳定流动单元数及相应的轴向与径向特征。基于步骤1)、2)流场信息，对比分析回流与回流旋涡空化发生的临界工况点。

Description

一种叶片泵内部回流及回流旋涡空化的数值预测方法
技术领域
本发明属于与叶片式流体机械空化相关的技术领域，尤其涉及到一种叶片泵内部回流与回流旋涡空化数值预测方法。
背景技术
叶片泵广泛应用于航空航天，石油、化工、水利等重要的国民经济领域，具有结构简单、性能可靠和维修方便等优点。泵在偏离设计工况下运行时，特别是小流量工况运行时，离心泵进口容易产生回流，回流漩涡中心的压力极低，并容易在吸水管路中出现低压区，而低压区会导致空化产生。
空化现象普遍存在于泵类旋转机械及其他水力机械中，对于泵类旋转机械而言，空化现象带来的影响大多是负面的。在设计的早期阶段预报空化现象变得十分重要。因试验方法存在设计周期长、设计成本高等问题；因此，为了解决这一问题，一种借助CFD数值计算的离心泵回流及回流旋涡空化的数值预测方法被提出。
发明内容
为了解决以上技术问题，本发明提供一种基于计算流体软件的叶片泵内部回流及回流旋涡空化的数值预测方法，以准确且高效地对在非设计工况下运行的叶片泵发生回流与回流旋涡空化进行预测。
为达到以上目的，采用如下计算方案，一种叶片泵内部回流与回流旋涡空化的数值预测方法，包括以下步骤：
步骤一：
步骤1)采用三维软件Creo对叶片泵的流体域进行三维造型，输出后缀为stp的模型文件；
步骤2)将步骤1)中所建立的三维模型导入ICEM中，对流体域进行网格划分，包括：叶轮、蜗壳、出口、进口及进出口延伸段，网格形式采用六面体结构网格，并且对结构网格添加边界层，使y+值最大值小于300并检查网格质量，选取合适的网格数以保证计算精度，并进行网格无关性分析，输出后缀为cfx的网格文件；
步骤二：
步骤3)将步骤2)的网格文件导入ANSYS-CFX中选择Steady计算模式，设置求解器参数：
设定工作流体属性：T＝25℃清水，设置水在该温度下的密度及粘性系数；设置进出口边界条件：总压进口，质量流量出口，设定初始进口压力边界条件1atm，通过设定不同的出口质量流量来改变泵的运行工况；选择isothermal传热模型，RNG k-ε湍流模型；设置泵叶轮的转速；旋转计算域壁面设置为无滑移壁面，设置旋转轴与叶轮旋转方向一致壁面相对速度设为0，使用rotating坐标系；静止计算域壁面设置为无滑移壁面，设置为全局静止坐标系；动静计算域交界面采用MRF多重参考系，变换坐标系设置为Frozen Rotor，网格连接方式设置为GGI；静静计算域交界面连接模型设为普通连接，网格连接方式设为GGI；求解器参数中对流项、湍流数值项、求解步数、计算收敛条件为1e-4，完成各工况下泵内部流动的定常数值计算的设置，并输出为def的数值计算文件。
步骤4)通过对湍流模型、泵进出口边界条件、泵进出口管道延伸段长度进行修正，对叶片泵内部流动的定常数值计算方法进行优化并验证直至达到预测精度，然后进行下一步。
步骤三：
步骤5)选取具有代表性的4个工况点：设计工况点(1.0Q)与小流量工况点(0.85Q、0.51Q、0.34Q)。
步骤6)基于步骤5)所选工况下的泵内部回流流动的定常计算结果，提取泵进口管道，叶轮进口流场信息：如速度、压力、涡量、湍动能分布等。
步骤7)在泵进口管内不同轴向位置设置横截面，分别命名为截面1、2、3、4、5、6，其距离叶轮进口面分别为0mm、50mm、100mm、150mm、300mm、400mm；同时在泵进口管设置不同半径的圆柱面：d＝1Ds、d＝0.8Ds、d＝0.4Ds、d＝0.2Ds。
步骤8)对比分析不同工况，不同截面处流场信息，建立各工况与回流发展程度的对应关系，同时获取不同工况下泵内部回流流场特征以及回流发生点。
步骤9)图5为不同流量下速度流线分布图，在1.0Q工况下，叶轮进口的流线较为平顺，主流入流充满整个进口管，无回流现象出现。当流量降到0.85Q，叶轮进口管壁处出现了少量不规则的流线，对主流形成了轻微的排挤，出现进口回流现象。当流量降到0.51Q时，回流现进一步发展。当流量继续降到0.34Q时，回流延伸到进口管径约3倍的地方，回流已经发展为比较剧烈。
步骤10)图6为不同流量下截面1的轴向速度和周向速度分布，由图可知，在1.0Q未发生回流工况点，不同半径处的轴向速度均为正值，只在r/R1＝1.0附近速度轻微下降。而其余回流发生流量点下，在r/R1值为0.8～1.0的范围内出现了速度值为负的情况。并且随着流量继续降低，反向速度绝对值越大，表明回流强度增强，回流更剧烈。
步骤四：
步骤11)将气态介质加入计算域中，选取均相流空化模型；质量传递设置为Cavitation，并输入该介质在一定温度下的饱和蒸气压。
步骤12)设置进口边界流体介质的初始体积分数，将液态流体体积分数设为1，气态流体设为0。
步骤13)进出口边界条件设置：进口总压设置为1atm，出口设置为质量流量。
步骤14)将无空化情况下计算的res文件作为初始文件进行一个大气压下的空化计算，并在计算完成后逐渐降低模型泵进口压力来实现空化数值计算。
步骤15)获取不同流量下叶轮内10％空泡等值面分布、不同空化系数下叶轮内10％空泡等值面分布。得到空泡发展规律，对比分析得到空泡分布与回流强度发展的关系。
步骤16)提取空化条件下进口管道，叶轮进口流场信息：如速度、压力、涡量、湍动能等分布。
步骤17)获取不同工况下不同空化条件下(即不同空化系数下)叶轮内空泡体积等值面分布，获得空泡发展与回流强度发展的关系。
步骤18)分别对不同工况，选取截面1(回流发生区域)和截面5(未见明显回流)，对所获取的叶轮进口流场信息、叶轮内空泡体积等值面分布进行对比分析。
步骤五：
步骤19)基于步骤6)所选工况下的泵内部回流流动的定常数值计算结果为初始条件，进一步选择发生回流未发生回流漩涡空化的典型工况点，进行泵内部非定常流动的数值计算。
步骤20)基于步骤14)泵空化流动的定常数值计算结果为初始条件，进一步选择既发生回流又发生回流漩涡空化的典型工况点，进行空化流动的非定常数值模拟。
步骤21)在步骤19)和步骤20)的非定常数值模拟计算中，其中涉及的湍流模型选RNG k-ε模型，空化模型选均相流模型，将叶轮每旋转10°作为非定常计算的时间步长，叶轮旋转30圈作为非定常计算的总时间；进出口边界条件选取总压进口、质量流量出口。
步骤22)在进口管道内、叶轮进口处、叶轮流道内分别设置压力脉动监测点。
步骤23)提取泵进口管道及叶轮进口流场、回流漩涡空化的空泡体积分布随时间变化的信息。
步骤24)以叶轮旋转一周为一个周期，选取0T、0.25T、0.5T、0.75T、1T五个时刻叶轮进口轴截面的速度流线图；获取回流影响范围、回流涡分布的动态变化特征。
步骤25)获取所选工况下叶轮旋转一个周期内不同时刻叶轮及进口管内10％空泡等值面分布，并对不同时刻空泡分布状况进行分析获取回流漩涡空化的发展过程。
步骤26)提取步骤22)中所设置监测点处的压力脉动信号，选取非定常计算结果中最后 10圈的压力信号进行平均值处理。
步骤27)对压力脉动的信号进行无量纲处理，定义压力系数的公式为：
Figure RE-GSB0000180614280000031
其中：p为监测点的静压；
Figure RE-GSB0000180614280000032
为监测点在叶轮旋转周期内的平均压力；ρ为液体的密度； u2为叶轮出口处的圆周速度。
步骤28)在MATLAB中对各个监测点的压力脉动信号进行傅里叶变换，获取各个压力脉动监测点的频域图。
步骤六：
步骤29)基于步骤26)泵内部回流与回流漩涡空化发生时各监测点的压力脉动计算结果，对比分析各监测点的主频。
步骤30)对相邻各监测点的压力脉动信号进行相位交叉性与相关性分析，获取回流与回流漩涡空化发生与发展阶段中的不稳定流动单元数，获取其相应的轴向与径向特征。
步骤31)基于步骤8)、步骤12)、步骤20)对未发生空化时进口管处流场信息与发生空化时进口管处流场信息进行对比分析，判断回流、回流旋涡空化发生时的临界工况；基于步骤29)和步骤30)的回流与回流漩涡空化发生与发展阶段中的压力脉动分析结果，通过对比回流与回流旋涡空化的频率特性与径向、轴向特性；综合以上对比结果，实现对叶片泵进口回流和回流旋涡空化的数值诊断。
附图说明
图1为本发明实施例中叶片泵的计算流体域示意图
图2为本发明实施例中流体域网格图
图3为本发明实施例中在1.0QBEPA、0.85QBEPA、0.34QBEPA流量下叶轮速度流线图
图4为本发明实施例中在不同流量下泵进口管内不同圆柱面上的轴向速度、周向速度分布图
图5为本发明实例中1.0Q流量下叶轮内的10％空泡等值面分布图
图6为空化工况下截面1上轴向和周向速度分布
图7为1.0QBEPC工况下叶轮内10％空泡等值面分布
图8为截面1下σ＝0.81、截面5下σ＝0.81的静压分布
图9为进口管处监测点分布
图10为0.46Q流量下分别在σ＝0.22、σ＝0.15、σ＝0.08时叶轮进口速度流线图
图11为工况0.46Q、空化系数σ＝0.81时，0T～1T的叶轮进口轴截面的速度流线图。
图12为0.36QBEPC，σ＝0.82工况下截面1上监测点压力脉动频域图以及对相邻的监测点进行的相位交叉性分析图。
图13为本发明技术路线图
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。
本实施例采用一种离心泵为例，其主要设计参数：流量Q＝94m3/h，扬程H＝30m，转速 n＝2950rpmin，输送介质为清水，叶轮进口直径Dj＝100mm，叶轮出口直径D2＝1669mm，叶片数Z＝7，叶轮出口宽度b2＝21mm。搭建离心泵空化性能测试的闭式实验台，通过该闭式实验台进行离心泵的外特性测试、空化性能测试以及压力脉动实验，从而获取离心泵的外特性、空化性能与压力脉动测试结果。
所述叶片泵进口回流和回流旋涡空化数值诊断方法，主要用于计算叶片泵在小流量工况运行时发生回流和回流空化现象，包括以下步骤：
步骤1)三维模型建立及网格划分：
应用Creo三维造型软件对离心泵的流体域进行三维建模，输出后缀为stp的模型文件，图1为叶片泵的三维造型；对流体域进行网格划分，并检查网格质量，其中网格质量均大于 0.2且最小网格角度大于18度，总网格数量为302万，输出后缀为cfx的网格文件，如图2 所示。
步骤2)将步骤1)的网格文件导入ANSYS-CFX中选择Steady计算模式，首先进行计算前处理设置：
设定工作流体属性：T＝25℃清水，密度998kg/m3；选择Isothermal传热模型及k～Epsilon 湍流模型；设置进出口边界条件，压力进口设为1atm，流量出口设为20m3/h；设置总压进口 (设定初始进口压力边界条件1atm)、质量流量出口的进出口边界条件，通过设定不同的出口质量流量来改变泵的运行工况；选择isothermal传热模型，RNG k-ε湍流模型；设置泵叶轮的转速n＝2950rpm；旋转计算域壁面设置为无滑移壁面，设置旋转轴与叶轮旋转方向一致壁面相对速度设为0，使用rotating坐标系；动静计算域交界面采用MRF多重参考系，变换坐标系设置为Frozen Rotor，网格连接方式设置为GGI；静止计算域壁面设置为无滑移壁面，静静计算域交界面连接模型设为普通连接，网格连接方式设为GGI；求解器参数中对流项、湍流数值项、求解步数、计算收敛判据残差设置为平均值RMS数值为10^-4；使用CEL语言写入扬程H与效率η的表达式进行监测，完成各工况下泵内部流动的定常数值计算的设置，最后输出为def的数值计算前处理文件。
步骤3)基于步骤2)进行泵内部流动的定常数值模拟，并输出后缀为res的数值计算结果文件，同时通过计算获得的泵外特性能曲线；通过对湍流模型、泵进出口边界条件、泵进出口管道延伸段长度进行修正重新进行叶片泵内部流动定常数值计算，将离心泵外特性参数的计算值与其相应的实验值进行对比，从而可确定所选湍流模型是否反应泵在该工况的内部流动状态；若其误差大于3％，则对湍流模型进行修正直至达到预测精度。
步骤4)基于步骤3)中泵内部流动的定常数值计算结果，选取具有代表性的4个工况点的计算结果文件：设计工况点(1.0Q)与小流量工况点(0.85Q、0.51Q、0.34Q)；提取泵进口管道，叶轮进口流场信息：如速度、压力、涡量、湍动能分布等。
步骤5)在泵进口管内不同轴向位置设置横截面，分别命名为截面1、2、3、4、5、6，其距离叶轮进口面分别为0mm、50mm、100mm、150mm、300mm、400mm；同时在泵进口管设置不同半径的圆柱面：d＝1Ds、d＝0.8Ds、d＝0.4Ds、d＝0.2Ds；对比分析不同工况，不同截面处流场信息，建立各工况与回流发展程度的对应关系，同时获取不同工况下泵内部回流流场特征以及回流发生点。
步骤6)图3为基于步骤4)所选取工况点下的叶轮进口速度流线图，可以看出在1.0Q 工况下，叶轮进口的流线较为平顺，主流入流充满整个进口管，无回流现象出现。当流量降到0.85Q时，叶轮进口管壁处出现了少量不规则的流线，对主流形成了轻微的排挤，出现进口回流现象。当流量降到0.51Q时，进口回流现象较为明显，并且回流延伸到了叶轮进口上游约两倍管径的地方。回流对主流产生了明显的排挤。当流量继续降到0.34Q时，回流延伸到进口管约3倍的地方，对主流的排挤进一步加强。综上所述，回流强度随流量降低而逐渐增强，影响范围不断向上游扩大。
步骤7)图4为不同流量下各截面的轴向速度和周向速度分布图，其中定义轴向速度正方向为与主流流动方向相同的方向，周向速度正方向为与叶轮旋转方向相同的方向。绘制折线图。根据不同圆柱截面上的速度流线图，分析回流发生时不同圆柱截面上的流动状态；图 6a为不同流量下截面1上的轴向速度分布图，可以看出在1.0Q未发生回流工况点，不同半径处的轴向速度均为正值，只在r/R1＝1.0附近速度轻微下降；而其余回流发生流量点下，在 r/R1值为0.8～1.0的范围内出现了速度值为负的情况。并且随着流量继续降低，反向速度绝对值越大，这说明回流强度增强，回流更剧烈；对比不同流量下轴线的轴向速度，发现轴线区域的轴向速度并未随着流量降低而减小，这是因为回流区域占据了进口管部分面积，对主流产生了排挤，致使主流的有效过流面积减少，因而轴线位置的速度并未明显减小；图6b为不同流量下截面1上的周向速度分布图，可知在1.0Q未发生回流的工况下，周向速度基本为0；但在回流发生工况下，在r/R1值为0.8～1.0范围内出现了较大的周向速度，其值随着流量降低而增大；以小流量工况0.34Q为例，在r/R1＝1.0处的周向速度值几乎为1.0Q工况下同一位置处的7倍。在r/R1值为0～0.3的范围内，测点的周向速度分量基本不变，该区域的流体所具有的周向速度分量很小；随着测点半径的增加，周向速度分量迅速增大，且不同测点之间的周向速度分量差值越来越大；可见，回流发生时叶轮进口附近的流动状态有：螺旋状回流、螺旋状入流、轴向入流。
步骤8)在步骤2)的设置基础上将气态介质vapour加入计算域中，选取均相流空化模型；质量传递设置为Cavitation，并输入该介质在一定温度下的饱和蒸气压3574Pa；设置进口边界流体介质的初始体积分数，将液态流体体积分数设为1，气态流体设为0；将无空化情况下计算的res文件作为初始文件进行一个大气压下的空化计算，并在计算完成后逐渐降低模型泵进口压力来实现空化数值计算。
步骤9)基于步骤8)的数值计算结果，获取不同流量下叶轮内10％空泡等值面分布、不同空化系数下叶轮内10％空泡等值面分布，从而获得叶轮内部的空泡的发展过程。图5为1.0Q 流量下叶轮内10％空泡体积值分布图。当空化系数σ＝0.78时，叶片背面、进口边靠近前盖板的位置首先出现空泡，且各个叶片上的空泡体积大小相差较大；在空化系数σ值由0.78降到 0.28的过程中，空泡逐渐发展，开始覆盖叶片背面头部大部分面积，当空化系数σ＝0.22时，空泡已经在叶轮内发展完全，不仅覆盖了叶片背面绝大部分面积，更是堵塞住了所有的叶片流道；当空化系数σ＝0.11时，空泡已经在叶轮内发展完全，不仅覆盖了叶片背面绝大部分面积，更是堵塞住了所有的叶片流道，此时模型泵的扬程已经严重下降；观察空泡在叶轮内的发展过程可以看出，空化尚未在叶轮内完全发展之前，各个叶片上的空泡发展情况呈现出明显的不对称、不均匀分布特征。
步骤10)基于步骤8)的数值计算结果，提取空化条件下进口管道，叶轮进口流场信息：如速度、压力、涡量、湍动能等分布。图6为空化工况下截面1上轴向和周向速度分布
步骤11)基于步骤8)的数值计算结果，获取不同工况下不同空化条件下(即不同空化系数下)叶轮内空泡体积等值面分布，获得空泡发展与回流强度发展的关系。图7为1.0QBEPB工况下叶轮内10％空泡等值面分布。
步骤12)基于步骤8)的数值计算结果，分别对不同工况，选取截面1(回流发生区域) 和截面5(未见明显回流)，对所获取的叶轮进口流场信息、叶轮内空泡体积等值面分布进行对比分析。图8为为不同截面在不同空化系数下的静压分布。
步骤13)基于步骤4)所选工况下的泵内部回流流动的定常数值计算结果为初始条件，进一步选择发生回流未发生回流漩涡空化的典型工况点，进行泵内部非定常流动的数值计算。
步骤14)基于步骤8)泵空化流动的定常数值计算结果为初始条件，进一步选择既发生回流又发生回流漩涡空化的典型工况点，进行空化流动的非定常数值模拟。
步骤15)在步骤4)和步骤8)的非定常数值模拟计算中，其中涉及的湍流模型选RNGk-ε模型，空化模型选均相流模型，将叶轮每旋转10°作为非定常计算的时间步长，叶轮旋转30 圈作为非定常计算的总时间；进出口边界条件选取总压进口、质量流量出口。
步骤16)在进口管道内、叶轮进口处、叶轮流道内分别设置压力脉动监测点，如图9所示。其中选取进口管内4个点，其中P1和P2点距离叶轮进口350mm，且P2位于进口管轴线线上。P3和P4点距离叶轮进口50mm，且P4位于进口管轴线线上；在截面1行上均匀设置8个及检测点，设置相邻检测点角度为45°。
步骤17)提取泵进口管道及叶轮进口流场、回流漩涡空化的空泡体积分布随时间变化的信息，获取不同空化系数下进口回流发展程度。图10为0.46Q流量下不同空化系数下叶轮进口速度流线图，可以看出进口回流旋涡空化随着空化系数σ的改变而产生、发展、消失的过程。
步骤18)以叶轮旋转一周为一个周期，选取0T、0.25T、0.5T、0.757、1T五个时刻叶轮进口轴截面的速度流线图；获取回流影响范围、回流涡分布的动态变化特征。
步骤19)获取所选工况下叶轮旋转一个周期内不同时刻叶轮及进口管内10％空泡等值面分布，并对不同时刻空泡分布状况进行分析获取回流漩涡空化的发展过程。图11为工况 0.46Q、空化系数σ＝0.81时，不同时刻的叶轮进口轴截面的速度流线图。
步骤20)提取步骤19)中所设置监测点处的压力脉动信号，选取非定常计算结果中最后 10圈的压力信号进行平均值处理。
步骤21)对压力脉动的信号进行无量纲处理，定义压力系数的公式为：
Figure RE-GSB0000180614280000061
其中：p为监测点的静压；
Figure RE-GSB0000180614280000062
为监测点在叶轮旋转周期内的平均压力；ρ为液体的密度； u2为叶轮出口处的圆周速度。
步骤22)在MATLAB中对各个监测点的压力脉动信号进行傅里叶变换，获取各个压力脉动监测点的频域图。
步骤23)基于步骤22)的压力脉动信号处理结果，并对相邻的监测点的主频进行相位交叉相关性分析，从而判断区域内不稳定流动的轴向性或径向性特征，获取各频率下是否出现不稳定流动现象。图12为不同工况、不同空化系数σ叶轮进口截面1上的压力脉动监测点 P5～P12的频域图和相位分析图。其中在工况0.36Q，空化系数为σ＝0.82(未空化)下，各监测点的主频为4倍轴频；监测点P5～P12主频的幅值也呈先增大后减小再增大又减小的变化趋势，这是与该工况下发生的回流不稳定流动现象有关；监测点P10的次主频为0.1倍轴频，其余监测点次主频均为0.4倍轴频的低频频率；分别选取0.11倍轴频(5.186Hz)、0.12倍轴频(6.05Hz)、0.39倍轴频(19.01Hz)、0.40倍轴频(19.88Hz)四个主要频率进行相位相关性分析。从图12可以看出，对于频率为0.11、0.12、0.39、0.4倍轴频时，相位均呈线性关系，可知叶轮进口处存在与各频率对应的旋转不稳定流动现象。
步骤36)基于步骤9)、步骤12)、步骤17)对未发生空化时进口管处流场信息与发生空化时进口管处流场信息进行对比分析，判断回流、回流旋涡空化发生时的临界工况；基于步骤19)和步骤23)的回流与回流漩涡空化发生与发展阶段中的压力脉动分析结果，通过对比回流与回流旋涡空化的频率特性与径向、轴向特性；综合以上对比结果，实现对叶片泵进口回流和回流旋涡空化的数值诊断。

Claims (7)

1.一种叶片泵内部回流及回流旋涡空化的数值预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)叶片泵三维模型建立及网格划分：对流场域进行建模，进行网格划分，检查网格质量，并进行网格无关性分析。
步骤2)采用CFD软件设置设计工况与小流量工况下叶片泵内部流动的定常数值计算前处理文件：将步骤1)的网格导入CFD计算软件，设定泵工作流体属性、泵进出口边界条件，选择合适的湍流模型，设置计算收敛条件，进行叶片泵内部流动的定常数值计算，输出数值计算结果文件。通过对湍流模型、泵进出口边界条件、泵进出口管道延伸段长度进行修正，对泵内部流动的定常数值模拟方法进行优化并验证直至达到预测精度，然后进行下一步。
步骤3)分别进行设计工况下、小流量工况下泵内部流动的定常数值计算，获取其计算结果；提取不同工况下泵进口管道，叶轮进口流场信息：如速度、压力、涡量、湍动能分布等；同时获取泵内部回流流场特征以及回流发生点。。
步骤4)选取CFD软件中的均相流空化模型，进口总压设置为1atm，出口设置为质量流量，基于步骤3)泵内部无空化流动的定常数值计算结果，通过逐步降低叶片泵进口压力，进行设计工况与小流量工况下泵内部空化流动的数值计算，获取不同工况下叶轮进口流场信息、不同空化条件下(即不同空化系数下)叶轮内空泡体积等值面分布。
步骤5)基于步骤3)与4)泵内部回流流动与空化流动的定常数值计算结果，进行泵内部非定常流动的数值计算，并在泵进口管内、叶轮进口处及叶轮流道内分别设置相关压力脉动监测点。选取步骤3)中典型的工况点(发生回流、未发生回流旋涡空化、既发生回流又发生回流旋涡空化)进行非定常数值模拟；提取泵进口管道，叶轮进口流场、回流旋涡空化的空泡体积分布随时间变化的信息；提取以上所设置监测点处的压力脉动结果，通过在MATLAB进行编程进行各监测点的压力脉动频域分析。
步骤6)基于步骤5)泵内部回流与回流旋涡空化发生时各监测点的压力脉动计算结果，通过对比分析各监测点的主频，又对不同位置监测点的压力脉动信号进行相位相关性分析，获取回流与回流旋涡空化发生与发展阶段中的不稳定流动单元数，获取其相应的轴向与径向特征。基于步骤3)、4)、5)泵内部回流与流旋涡空化发生时的流场信息，对比分析回流与回流旋涡空化发生的临界工况点。
2.根据权利要求1所述的一种叶片泵内部回流及回流旋涡空化的数值预测方法，其特征在于，所述步骤1)包括如下步骤：
步骤1)采用三维软件Creo对叶片泵的计算流体域进行三维造型，输出后缀为stp的模型文件。
步骤2)基于ICEM CFD软件、采用六面体结构网格对泵各计算流体域进行网格划分，同时对所生成的结构网格添加边界层，使其y+值最大值小于200，并检查网格质量，选取合适的网格数以保证计算精度，并进行网格无关性分析，输出后缀为cfx的网格文件。
3.根据权利要求1所述的一种叶片泵内部回流及回流旋涡空化的数值预测方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括以下步骤：
步骤3)将步骤2)的网格文件导入ANSYS-CFX中选择Steady计算模式，设置求解器参数：设定工作流体属性：T＝25℃清水，设置水在该温度下的密度及粘性系数；设置进出口边界条件：总压进口，质量流量出口，设定初始进口压力边界条件1atm，通过设定不同的出口质量流量来改变泵的运行工况；选择isothermal传热模型，RNG k-ε湍流模型；设置泵叶轮的转速；旋转计算域壁面设置为无滑移壁面，设置旋转轴与叶轮旋转方向一致壁面相对速度设为0，使用rotating坐标系；静止计算域壁面设置为无滑移壁面，设置为全局静止坐标系；动静计算域交界面采用MRF多重参考系，变换坐标系设置为Frozen Rotor，网格连接方式设置为GGI；静静计算域交界面连接模型设为普通连接，网格连接方式设为GGI；求解器参数中对流项、湍流数值项、求解步数、计算收敛条件为1e-4，完成各工况下泵内部流动的定常数值计算的设置，并输出为def的数值计算文件。
步骤4)基于步骤3)进行泵内部流动的定常数值模拟，并输出后缀为res的数值计算结果文件，同时通过计算获得的泵外特性能曲线；
步骤5)基于步骤3)通过对湍流模型、泵进出口边界条件、泵进出口管道延伸段长度进行修正重新进行叶片泵内部流动定常数值计算，将离心泵外特性参数的计算值与其相应的实验值进行对比，从而可确定所选湍流模型是否符合泵在该工况的内部流动状态；若其误差大于3％，则对湍流模型进行修正直至达到预测精度。
4.根据权利要求1所述的一种叶片泵内部回流及回流旋涡空化的数值预测方法，其特征在于，所述步骤3)具体包括以下步骤：
步骤6)选取具有代表性的4个工况点的泵内部回流流动的数值计算结果：设计工况点(1.0Q)与小流量工况点(0.85Q、0.51Q、0.34Q)。
步骤7)基于步骤6)所选工况的泵内部回流流动的数值计算结果，提取泵进口管道，叶轮进口流场信息：如速度、压力、涡量、湍动能分布等；通过在泵进口管内不同轴向位置设置横截面，分别命名为截面1、2、3、4、5、6，其距离叶轮进口面分别为0mm、50mm、100mm、150mm、300mm、400mm；同时在泵进口管设置不同半径的圆柱面：d＝1Ds、d＝0.8Ds、d＝0.4Ds、d＝0.2Ds。
步骤8)基于步骤7)进行对比分析不同工况、不同截面处流场信息，建立各工况与回流发展程度的对应关系，同时获取不同工况下泵内部回流流场特征以及回流发生点。
5.根据权利要求1所述的一种叶片泵内部回流及回流旋涡空化的数值预测方法，其特征在于，所述步骤4)具体包括以下步骤：
步骤9)基于步骤3)的设置并将气态介质加入计算域中，选取均相流空化模型；质量传递设置为Cavitation，并输入该介质在一定温度下的饱和蒸气压。
步骤10)设置进口边界流体介质的初始体积分数，将液态流体体积分数设为1，气态流体设为0。
步骤11)进出口边界条件设置：进口总压设置为1atm，出口设置为质量流量。
步骤12)将步骤6)所选工况下的泵内部无空化定常流动计算结果的res文件作为泵空化流动的定常数值计算的初始文件，首先进行泵进口为一个大气压情况下的空化计算，并在计算完成后逐渐依次降低泵进口压力来实现空化数值计算。
步骤13)获取不同工况下、不同空化条件下进口管道、叶轮进口流场信息：如速度、压力、涡量、湍动能等分布。
步骤14)获取不同工况下、不同空化条件下(即不同空化系数下)叶轮内空泡体积等值面分布，获得空泡发展与回流强度发展的关系。
步骤15)分别对不同工况、选取截面1(回流发生区域)和截面5(未见明显回流)，对所获取的叶轮进口流场信息、叶轮内空泡体积等值面分布进行对比分析。
6.根据权利要求1所述的一种叶片泵内部回流及回流旋涡空化的数值预测方法，其特征在于，所述步骤5)具体包括以下步骤：
步骤16)基于步骤6)所选工况下的泵内部回流流动的定常数值计算结果为初始条件，进一步选择发生回流未发生回流旋涡空化的典型工况点，进行泵内部非定常流动的数值计算。
步骤17)基于步骤12)泵空化流动的定常数值计算结果为初始条件，进一步选择既发生回流又发生回流旋涡空化的典型工况点，进行空化流动的非定常数值模拟。
步骤18)在步骤16)和步骤17)的非定常数值模拟计算中，其中涉及的湍流模型选RNGk-ε模型，空化模型选均相流模型，将叶轮每旋转10°作为非定常计算的时间步长，叶轮旋转30圈作为非定常计算的总时间；进出口边界条件选取总压进口、质量流量出口。
步骤19)在进口管道内、叶轮进口处、叶轮流道内分别设置压力脉动监测点。
步骤20)提取泵进口管道及叶轮进口流场、回流旋涡空化的空泡体积分布随时间变化的信息。
步骤21)以叶轮旋转一周为一个周期，选取0T、0.25T、0.5T、0.75T、1T五个时刻叶轮进口轴截面的速度流线图；获取回流影响范围、回流涡分布的动态变化特征。
步骤22)获取所选工况下叶轮旋转一个周期内不同时刻叶轮及进口管内10％空泡等值面分布，并对不同时刻空泡分布状况进行分析获取回流旋涡空化的发展过程。
步骤23)提取步骤19)中所设置监测点处的压力脉动信号，选取非定常计算结果中最后10圈的压力信号进行平均值处理。
步骤24)对压力脉动的信号进行无量纲处理，定义压力系数的公式为：
Figure RE-FSB0000180614270000031
其中：p为监测点的静压；
Figure RE-FSB0000180614270000032
为监测点在叶轮旋转周期内的平均压力；ρ为液体的密度；u2为叶轮出口处的圆周速度。
步骤25)在MATLAB中对各个监测点的压力脉动信号进行傅里叶变换，获取各个压力脉动监测点的频域图。
7.根据权利要求1所述的一种叶片泵回流与回流旋涡空化的数值诊断方法，其特征在于，所述步骤6)具体包括以下步骤：
步骤26)基于步骤23)泵内部回流与回流旋涡空化发生时各监测点的压力脉动计算结果，对比分析各监测点的主频。
步骤27)对相邻各监测点的压力脉动信号进行相位交叉性与相关性分析，获取回流与回流旋涡空化发生与发展阶段中的不稳定流动单元数，获取其相应的轴向与径向特征。
步骤28)基于步骤8)、步骤12)、步骤20)对未发生空化时进口管处流场信息与发生空化时进口管处流场信息进行对比分析，判断回流、回流旋涡空化发生时的临界工况；基于步骤25)和步骤27)的回流与回流旋涡空化发生与发展阶段中的压力脉动分析结果，通过对比回流与回流旋涡空化的频率特性与径向、轴向特性；综合以上对比结果，实现对叶片泵进口回流和回流旋涡空化的数值诊断。
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