為改善射流式噴灌泵的性能，提高泵的效率。本文設(shè)計(jì)了一種有2個(gè)出口的不對(duì)稱導(dǎo)流器，可以加快泵內(nèi)的氣液混合與分離。通過(guò)正交試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法，得到葉輪與導(dǎo)流器中截面多方案的空氣體積分布云圖，分析其氣液混合與流動(dòng)規(guī)律，研究導(dǎo)流器出口1角度θ、導(dǎo)流器出口2角度α和基圓直徑D3對(duì)噴灌泵性能的影響，并對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行極差分析。研究結(jié)果得出方案4的導(dǎo)流器幾何參數(shù)較為合理，并進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)。樣機(jī)試驗(yàn)證明:在額定工況下，泵的效率為68.86%，比國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)值提高7.6%，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

1、前言

　　噴灌泵在農(nóng)業(yè)灌溉中起著重要作用，泵的灌溉面積約占全部灌溉面積89%。改善噴灌泵性能不僅可以有效的節(jié)約農(nóng)業(yè)灌溉用水，而且在用戶使用時(shí)也會(huì)省時(shí)、省力。到2020年我國(guó)將基本完成全國(guó)大中型灌區(qū)的續(xù)建配套和節(jié)水改造，農(nóng)田灌溉面積將達(dá)到60億畝。因此，從節(jié)水灌溉的角度出發(fā)，探索改善噴灌泵性能的有效途徑，研究提高噴灌泵的設(shè)計(jì)方法，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

　　傳統(tǒng)的噴灌泵結(jié)構(gòu)復(fù)雜、效率低、自吸性能較差。目前國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)改善自吸性能、提高噴灌泵效率和創(chuàng)新自吸結(jié)構(gòu)進(jìn)行廣泛研究。通過(guò)大量試驗(yàn)研究總結(jié)出提高自吸泵效率和自吸性能的方法，同時(shí)，設(shè)計(jì)出輕小型射流式噴灌泵，并進(jìn)行大量的理論分析和試驗(yàn)研究。

　　本文以一種射流式噴灌泵為研究對(duì)象，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種不對(duì)稱出口導(dǎo)流器，討論對(duì)射流式噴灌泵性能的影響。通過(guò)采用數(shù)值模擬和正交試驗(yàn)的方法，分析不對(duì)稱出口導(dǎo)流器幾何參數(shù)對(duì)噴灌泵內(nèi)部氣液混合影響的主次順序，從中選出最優(yōu)幾何參數(shù)，旨在為射流式噴灌泵導(dǎo)流器的設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

2、正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

　　2.1、正交試驗(yàn)方案

　　導(dǎo)流器是一種能盡快將液體的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為壓力能的裝置，同時(shí)使泵的內(nèi)部流動(dòng)趨于均勻，提高泵內(nèi)氣液分離的能力。不對(duì)稱出口導(dǎo)流器采用螺旋形壓水室的設(shè)計(jì)法，并設(shè)計(jì)成2個(gè)不對(duì)稱的導(dǎo)流器出口，這樣能夠加速泵的氣液混合與分離，從而減小泵的徑向力，提高泵的運(yùn)行效率。其不對(duì)稱出口導(dǎo)流器的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 導(dǎo)流器結(jié)構(gòu)

　　本文選取導(dǎo)流器出口1角度θ、導(dǎo)流器出口2角度α、基圓直徑D3為正交試驗(yàn)的變化因素，A、B、C為相應(yīng)編碼，按每個(gè)因素選3個(gè)水平數(shù)確定因素水平表如表1所示。根據(jù)L9(34)正交表，設(shè)計(jì)的正交試驗(yàn)方案如表2所示。

表1 因素水平表

表2 正交數(shù)值試驗(yàn)方案

　　2.2、泵性能指標(biāo)

　　80SZB25-4.8Q模型泵的性能參數(shù)為:流量Q=40m3/h，揚(yáng)程H=25m，轉(zhuǎn)速n=3600r/min，比轉(zhuǎn)速ns=123。采用Pro/Engineer對(duì)該泵葉輪水體、導(dǎo)流器中截面以及計(jì)算域全流場(chǎng)進(jìn)行三維建模如圖2所示。

圖2 計(jì)算域

　　葉輪結(jié)構(gòu)采用半開式葉輪，葉片進(jìn)口段設(shè)計(jì)成扭曲形狀、后半段則趨于圓柱葉片。不對(duì)稱出口導(dǎo)流器有2個(gè)液體出口和1個(gè)隔流板，隔流板外緣與葉輪間隙為1.0mm。

3、數(shù)值模擬

　　計(jì)算區(qū)域包括葉輪流道和導(dǎo)流器流道兩部分，二者之間通過(guò)交界面實(shí)現(xiàn)耦合�？紤]到節(jié)省模擬計(jì)算時(shí)間及計(jì)算機(jī)資源，本文采用ICEM

　　CFD對(duì)計(jì)算域進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格劃分，葉輪水力網(wǎng)格數(shù)432727，導(dǎo)流器水體網(wǎng)格數(shù)560383，計(jì)算區(qū)域總網(wǎng)格數(shù)2158968。

　　兩相流動(dòng)數(shù)值計(jì)算時(shí)，介質(zhì)為水，其動(dòng)力粘度為定值。采用三維定常雷諾時(shí)均N-S方程和標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型�？紤]模擬各相不同速度的氣液兩相流，采用Mixture多相流模型及Simple算法。速度項(xiàng)、湍動(dòng)能和渦黏系數(shù)項(xiàng)采用一階迎風(fēng)差分格式，葉輪進(jìn)口邊界條件采用速度進(jìn)口，且進(jìn)口處氣相的體積分?jǐn)?shù)設(shè)置為1，進(jìn)口湍流取值按水力直徑大小及湍流強(qiáng)度(5%)給定，出口邊界條件采用自由出流。壁面采用無(wú)滑移邊界條件，設(shè)定收斂精度為10-4，從而對(duì)1～9號(hào)導(dǎo)流器模型進(jìn)行氣液兩相流的數(shù)值模擬。

6、結(jié)論

　　(1)射流式噴灌泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為2個(gè)出口的不對(duì)稱導(dǎo)流器，該導(dǎo)流器氣液分離快，自吸性能好，在自吸過(guò)程中減少液體環(huán)流損失，設(shè)計(jì)合理;

　　(2)由極差分析，導(dǎo)流器幾何參數(shù)影響氣液混合流動(dòng)的最優(yōu)選取參數(shù)組合為方案4，即導(dǎo)流器出口1角度θ=30°、導(dǎo)流器出口2角度α=0°、基圓直徑D3=146mm;

　　(3)經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，方案4為最優(yōu)方案，根據(jù)方案4的導(dǎo)流器幾何參數(shù)進(jìn)行模型制造，并進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:在額定工況點(diǎn)下，泵的效率為68.86%，比國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)值提高7.6%。