為了提高設計過程中對混流泵性能的可控制程度，開展了出口環量分布規律對混流泵性能的影響研究。基于三元反設計理論，將環量Vur 在軸面流線方向上的偏導數作為載荷分布的控制參數，根據出口環量分布規律的不同設計了平均型、遞增型和遞減型3 個混流泵葉輪。基于雷諾時均Navier-Stokes 方程、SST 湍流模型和多重參考坐標系模型對泵內流場進行數值模擬，對泵的效率、空化、葉輪出口的總壓及軸面速度沿葉高的分布規律進行比較與分析。結果表明：遞增型泵效率最高但空化最差，遞減型泵性能正好相反;基于變出口環量分布的三元反設計方法能有效控制葉片不同葉高處的做功能力，遞增型葉輪出口的總壓和軸面速度隨半徑增加而增加的速度最快。

　　混流泵越來越廣泛的被應用于工、農業生產中，但混流泵的開發與離心泵和軸流泵相比，還有較大差距。環量Vur 作為葉片載荷的控制參數，其分布規律對混流泵性能有重要影響。近些年來有較多的研究是在葉輪設計完成后再通過葉片形狀參數的調整來實現性能優化，但在設計過程中就通過載荷參數的合理分配以得到性能優良的混流泵的研究卻鮮見報道。現階段，設計者對環量Vur 的分布規律缺少經驗，往往需要大量的試驗修正才能得到達到設計要求。

　　為了提高設計過程中對混流泵性能的可控制程度，很有必要開展出口環量Vur 的分布規律對混流泵性能影響的研究。文中以比轉數ns=449的混流泵葉輪設計為例，在給定軸面流道形狀和葉片導邊、隨邊位置的前提下，采用不同的出口環量Vur 分布規律設計出了3 型葉輪。通過對其內部流場的數值模擬，比較和分析出口環量Vur分布規律對泵的效率、空化、出口總壓和出口軸面速度分布特性的影響。

1、葉輪出口環量分布表示形式

　　葉片三元反設計的基本思想是：在葉輪內流動穩定、無粘性且不可壓縮的假定前提下，把其內部的三維流動分解為周向平均流動和周向脈動流動，用置于葉片中心面上的渦代替葉片對流場的作用，葉片形狀以滿足流動邊界條件而迭代確定。

　　本文設計的混流泵參數為： 流量Q=0.57m3/s，揚程H=34.7m，轉速n=2330r/min，比轉數ns=449。在葉片設計過程中需要指定以下條件：

　　(1)葉輪的軸面輪廓，包括輪轂、輪緣和葉片的進、出口邊。文中葉輪的軸面輪廓如圖1所示， 進口直徑D1=266mm ， 出口直徑D2=334mm。

圖1 葉輪軸面輪廓

1.出口邊 2.輪緣 3.進口邊 4.輪轂

　　(2)從輪轂到輪緣的各條軸面流線上對應點扭角的分布規律。文中設定各軸面流線上出口點的扭角都為0°，即葉片隨邊與輪轂、輪緣曲面垂直。

　　(3)葉厚分布。按照有較好抗汽蝕性能的NACA16 翼型厚度變化規律進行葉片加厚。

　　(4)葉片的載荷沿軸面流線的分布。葉片的載荷(即葉片壓力面與吸力面的壓力差)與Vur在軸面流線方向上的偏導數密切相關，它們滿足關系式

　　式中：Vm—軸面平均速度;Vu—周向平均速度;p+、p-—葉片壓力面、吸力面的靜壓;B—葉片數;m—軸面流線相對位置，m=0 表示導邊，m=1表示隨邊。因此給定載荷分布規律即是給定( ) / u V r m沿軸面流線的分布規律。通常將Vur除以ωr2s2 作無量綱化處理，其中r2s 為葉片隨邊輪緣處的半徑。葉片載荷沿軸面流線的分布理論上要滿足以下原則：

　　文中采用對稱軸相同的兩段拋物線來描述載荷沿軸面流線的分布規律，各條流線上葉片最大載荷都位于m=0.2 處，由此積分可得到相應的環量沿軸面流線的分布，如圖2 所示。

圖2 載荷沿軸面流線的分布

結論

　　(1)采用出口環量分布規律作為混流泵設計的控制參數是合理的，它能改變葉片上不同葉高處的做功能力，這樣可有效提高設計過程中對泵性能的可控制程度。

　　(2)出口環量分布形式對所設計混流泵的效率和空化性能有重要影響，遞增型泵效率最高但不利于保證空化性能。工程中，往往需要根據葉輪的應用場合而對泵的效率和空化性能做出合理取舍，才能正確的分配葉輪出口的環量。

　　(3)CFD 技術可對新設計泵的性能進行快速預測與評價，并為改變設計過程中的環量分布等參數以實現泵性能的優化提供合理建議。