導流罩對推流器性能的影響研究

張金金，林 路，葛新峰，程 誠，楊修遠，楊孝才

（1.河海大學能源與電氣學院，江蘇 南京 210098；2.南京藍奧環境科技有限公司，江蘇 南京 211500；3.南京藍奧環保設備有限公司，江蘇 南京 211500）

0 引言

“雙碳”戰略倡導綠色、環保、低碳的生活方式。加快降低碳排放步伐，有利于引導綠色技術創新，提高產業和經濟的全球競爭力。近些年，隨著我國對于環境問題的逐漸重視，再加之潛水推流器具有安裝方便，易于維護，操作簡單等優點，伴隨著潛水機電的設計和制造工藝不斷地進步，潛水推流器已經成為了我國非常重要的污水處理設備［1］。潛水攪拌機及泵一般都是連續地運行，電力消耗是生命周期成本的重要因素。如何能高效節能地提高潛水推流器的性能是污水處理行業一直追求的目標［2］。

對于潛水推流器的研究主要有試驗研究和數值計算兩部分，但由于試驗研究的局限性，大多數學者采用數值模擬的方法更為普遍，有關的試驗研究還較為缺乏。田飛［3］等人對潛水式攪拌機攪拌的污水處理槽進行數值模擬，分析了整個槽內流體的宏觀流場和各截面速度分布，并分析了潛水式攪拌機的軸向有效推進距離和水截面的有效擾動半徑。任向軒［4］等人研究出隨著葉片安放角的增加，潛水式攪拌器的軸功率以及推力不斷增大，葉片壓力面高壓區域也在逐漸增大。龔發云等［5］人以潛水式攪拌器槳葉為研究對象，探索其參數對攪拌效果的影響規律。SZULC［6］等著重探究了潛水式攪拌器性能評價的方法，并開展實驗，將實驗結果與用穩態數值模擬分析得到的結果進行了對比。B?O?SKI［7］等提出了一個具有已知幾何結構的潛水推流器試驗，測量了推力、轉矩、轉速和電動率，采用理論方法對CFD 結果進行了驗證。CHOI［8］等在文章中預測了潛水式攪拌器的性能，探討了葉輪設計參數對性能特性的影響。

本文采用試驗與CFD 相結合的方法，對安裝導流罩推流器和未安裝導流罩推流器的下水運行過程進行試驗研究，利用稱重傳感器測量，計算得出不同工況下兩者推力和功率的大小關系。采用CFD 模擬方法，對兩者進行非定常計算，分別對速度云圖、推功比、有效推進距離進行分析，以此揭示兩者運行過程中的特性和規律，為潛水攪拌機優化提供參考依據。

1 試驗研究

1.1 推力和功率測量機構設計

推力和功率是衡量潛水攪拌器性能的重要參數［9］，推力和功率測量機構如圖1（a）中所示，潛水推流器推力的測量有直接測量法。直接測量法是利用類似于圖1（b）所示的布置結構，采用稱重傳感器直接測得的讀數F1乘以一個系數之后便可以得到潛水攪拌器推力，基本原理與杠桿原理一致，實際測量裝置的推力讀數應為：

圖1 試驗設計Fig.1 Experimental design

式中：F和F1分別表示潛水攪拌器的推力和稱重傳感器所測得的推力；LM表示靠近推流器一端杠桿長度；LLC表示靠近稱重傳感器一端杠桿長度。

1.2 試驗工況

試驗考慮潛水推流器是否安裝導流罩對推力和功率的影響。潛水推流器進行2 種工況方案的試驗，具體方案如表1所示。

表1 潛水推流器試驗工況Tab.1 Submersible thruster test conditions

1.3 試驗過程

圖2（a）所示為安裝在支架上的有導流罩的潛水推流器實物圖，圖2（b）所示為稱重測力傳感器實物圖，它安裝在整個試驗裝置的最上端。圖2（c）所示為安裝有導流罩的潛水推流器下水運行的過程。圖2（d）所示為無導流罩的潛水推流器安裝在支架上的實物圖，圖2（e）所示為未安裝導流罩的潛水推流器的下水過程，圖2（f）所示為記錄結果。

圖2 試驗過程Fig.2 Experimental process

1.4 推力和功率測量

由推力機構的布置可知，杠桿兩端長度、分別為1.05 m 和0.35 m，測量安裝導流罩潛水推流器的稱重傳感器讀數為2 220 N，未安裝導流罩潛水推流器的稱重傳感器讀數為2 931 N，根據稱重傳感器的讀數帶入到式（1）中便可以得到安裝導流罩潛水推流器的裝置實際測量到的推力讀數應為740 N，未安裝有導流罩的潛水推流器的裝置實際測量到的推力讀數應為977 N。選取的稱重傳感器量程至少應大于其讀數，同時根據標準力測量的不確定性應滿足小于2%的要求，選取DYLY-103 型稱重傳感器以及DY920 力值測控儀。通過采集儀器獲得功率，安裝導流罩的潛水推流器功率的功率讀數為903 W，未安裝導流罩的潛水推流器的功率讀數為1 164 W。

1.5 試驗結果

試驗過程中記錄的結果如表2所示，試驗結果表明不同工況下安裝導流罩的潛水推流器的推力和功率分別小于未安裝導流罩的潛水推流器的推力和功率。

表2 潛水推流器試驗結果Tab.2 Submersible thruster test results

2 模型建立

2.1 潛水推流器模型建立

采用軟件UG12.0 進行建模。坐標系如圖3（a）中所示，坐標原點位于轉輪中心處，實驗池長（沿X軸方向）14.78 m，寬（沿Y軸方向）6 m，水深（沿Z軸方向）3.5 m；潛水推流器布置在距離池底0.75 m、距離池壁1.5 m 處。潛水推流器分為兩種，第一種不帶有導流罩直徑為386 mm，第二種帶有導流罩直徑為405 mm，由于轉輪曲線較為復雜，故采用模型掃描的方法將實際數據直接導入至電腦中，并基于上述基本數據，構建直徑為386 mm、高為120 mm 的圓柱形旋轉域以方便軟件計算。潛水推流器建模如圖3（b）和圖3（c）所示。

圖3 坐標系、試驗池模型及潛水推流器模型Fig.3 Coordinate system，test cell model and submersible thruster model

3 網格劃分及無關性驗證

采用ICEM 軟件進行網格劃分，整體采用結構化網格來劃分試驗池水池以及旋轉域，如圖4所示。

圖4 導流罩及旋轉域網格劃分Fig.4 Mesh delineation of the deflector and rotational domains

如圖5所示，對網格的無關性進行驗證時，分別對網格的五種不同數量的劃分方案（有導流罩為620 萬、720 萬、820 萬、890萬、960 萬，無導流罩為600 萬、700 萬、800 萬、870 萬、940 萬）進行計算，可以得到網格數量和推力的關系，隨著網格數量的增加，理論推力趨于穩定。安裝導流罩和未安裝導流罩潛水推流器平均理論推力分別為756.4 N 和996.1 N，本文分別選用890萬網格和870 萬網格。

圖5 網格總數-推力圖Fig.5 Total number of grids-thrust diagram

4 數值模擬結果及分析

4.1 速度云圖

為了探究葉片的出口流場，從葉片出口面向葉片方向（X軸負方向）截取平面，分別截取X=0.08 m、X=0.06 m、X=0.04 m、X=0.02 m處的速度云圖作為研究對象。

如圖6 和圖7所示，未安裝導流罩葉輪與安裝導流罩葉輪的出口流場大體相似，流體在葉輪內軸對稱地流動。安裝導流罩潛水推流器明顯小于未安裝導流罩潛水推流器葉輪的出口流速。流體經過葉片旋轉作用之后，與附近流體產生剪切應力，從而形成體積流，使得受控流體攪拌推流［10］。安裝導流罩潛水推流器葉輪由于導流罩的限制作用，其小于未安裝導流罩潛水推流器葉輪的出口流速。所以，安裝導流罩的潛水推流器要比未安裝導流罩的潛水推流器所受到的推力小，故安裝導流罩潛水推流器小于未安裝導流罩的潛水推流器的功率。

圖6 安裝導流罩葉輪出口處速度云圖Fig.6 Velocity cloud at the outlet of the impeller with deflector installed

圖7 未安裝導流罩葉輪出口處速度云圖Fig.7 Velocity cloud at the outlet of the impeller without the deflector cover

4.2 數模結果驗證

轉輪在試驗池中運轉，功率除去設備損耗之外應全部應用于克服流體壓力以及黏性力做功，因此只要知道了流體對于轉輪的扭矩以及轉輪轉速就可以計算出推流器的功率：

其中，M和分別n表示扭矩和轉速，推流器的轉速為980r/min。推流器推力與推流器功率的比值為推力功率比：

式中：F表示作用在潛水推流器上的推力；P表示推流器的功率。

安裝導流罩的潛水推流器推力圖和扭矩圖分別如8 和圖9所示。由圖8 可以看出經過12.5 s，推力趨于平穩，為759.33 N。由圖9 可以看出，經過9.7 s，扭矩值趨于穩定，為8.66 N·m。由以上分析可知，安裝有導流罩的潛水推流器的推功比在12.5 s后趨于平穩，為0.85 N/W。

圖8 推力圖Fig.8 Thrust diagram

圖9 扭矩圖Fig.9 Torque diagram

未安裝導流罩的潛水推流器的推力，經過6.32 s，推力趨于平穩，為1 003.39 N。未安裝導流罩的扭矩，經過4.1 s，扭矩值趨于穩定，為11.16 N·m。由以上分析可知，未安裝有導流罩的潛水推流器的推功比在6.32 s 后趨于穩定，為0.88 N/W。結果表明安裝有導流罩潛水推流器的推功比小于未安裝導流罩潛水推流器的推功比。

和實驗結果對比分析，有無安裝導流罩潛水推流器的相關數據如表3所示，由表3 中數據分析可知，潛水推流器所受到的水推力的理論模擬值大于試驗值，需要考慮到水對導桿的阻力作用、軸承的傳動效率和水力損失，從而使得潛水推流器所受到的水推力的理論模擬值大于試驗測量值。而潛水推流器的理論模擬功率值要比試驗測量功率值小，考慮到軸承等摩擦力的作用，從而使得潛水推流器功率的理論模擬值小于試驗值。模擬值與試驗值的誤差在5%以內，結果說明了數值模擬的正確性和試驗的可靠性，安裝導流罩的潛水推流器的推力、功率以及推功比比未安裝導流罩的潛水推流器分別要減小24.3%、22.4%、2.4%。

表3 推力和功率數模驗證Tab.3 Thrust and power digital-analog verification

4.3 推流器有效推進距離

有效推進距離是衡量潛水推流器水力性能的主要指標之一，有效推進距離指在潛水攪拌器的有效工作區域內（保持流速大于等于0.3 m/s 的條件下）［11］，其對水流產生推進作用的有效距離；攪拌器有效推進距離所能包含的池中區域越大其起到的攪拌效果越好，潛水推流器在轉輪安裝斷面處速度云圖如圖10所示。

圖10 潛水推流器在轉輪安裝斷面處速度云圖Fig.10 Velocity cloud of the submersible thruster at the rotor mounting section

從圖10速度云圖分別可以看出，有無安裝導流罩潛水推流器在0.3 m/s 下為13.1 和12.5 m，0.4 m/s 下有效推進距離為12.2和9.5 m，在0.6 m/s 下為8.5 和6.5 m。由此可見：安裝導流罩可以增加高速推流器的推進距離，有導流罩的推流器（工況1）的有效推進距離比沒有導流罩的推流器（工況2）的有效推進距離在0.3、0.4、0.6 m/s條件下分別增加了4.8%、28.4%、30.8%。

5 結論

文章采用試驗和CFD 相結合的方法，通過試驗獲得潛水推流器下水運行過程中的試驗推力、試驗功率和試驗推功比，通過CFD 分析方法獲得理論模擬推力、理論模擬功率、理論模擬推功比、速度云圖和有效推進距離。主要結論如下：

（1）通過開展試驗和數值模擬得到了推力、功率及推功比，數值模擬和試驗值相比誤差小于5%，安裝導流罩的潛水推流器的推力、功率以及推功比比未安裝導流罩的潛水推流器分別要減小24.3%、22.4%、2.4%。

（2）安裝導流罩可以增加推流器的有效推進距離，安裝導流罩與未安裝導流罩相比在0.3、0.4、0.6 m/s條件下有效推進距離分別增加了4.8%、28.4%、30.8%。