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本文系国家科技支撑计划(编号:2011BAF14B01)和江苏大学学生科研立项(2011A005)资助项目。
射流式自吸电泵是一种特殊的流体机械，采用射流器与离心泵组合的方式设计，泵部分和电机部分共轴，以牺牲一部分效率来提高离心泵抗空化性能，增大吸程。射流式自吸电泵内包含两种不同的泵型，内部三维流动极为复杂，包括水射流卷吸、湍流涡扩散等流动现象。随着数值计算方法、网格技术、计算机软硬件等的快速发展，计算流体动力学已经成了研究泵内部流动的主要手段之一，准确、定量分析流动现象和流动特性是当前国内外研究泵领域的研究热点和重点。本文针对XJWm/3BH型射流式自吸电泵进行了水力设计，采用数值模拟和试验验证了设计方法的合理性，分析了泵内定常、非定常流动特征，探索了大流量下扬程突降的缘由，为该型泵的设计提供了依据。本文主要研究工作和研究结果如下:
1.根据射流式自吸电泵的设计参数要求，依据现有的水力设计理论，给出了射流式自吸电泵的叶轮、导叶、射流器和吸入管水力设计步骤及系数选取要求等。
2.根据射流式自吸电泵水力设计，采用Pro/E三维造型建立了全流场三维实体;利用ANSYSWorkbench中的Mesh命令对吸水段和出水段进行了结构化网格划分，对叶轮、导叶和射流器等采用自适应非结构化网格划分，最终确定网格节点总共为702008，网格数总共为3009149，其中叶轮网格数为783461，进口段为449600，出口段为290400。
3.采用RNGk-ε湍流模型数值计算了泵定常单相流场，分析了不同工况下射流器、叶轮和泵体内的压力场、相对速度场、绝对速度场，给出了一个流道中不同半径处的相对速度、绝对速度变化规律。结果表明:设计工况下数值模拟与试验扬程、轴功率和效率的相对误差为2.63％、6.16％和14.29％，数值模拟精度较高;在大流量工况下具有外特性曲线突降的特性，功率曲线在突降之前一直保持不变，这是该泵最大的一个特点;L=148mm处是静压、速度和湍动能耗散率等物理量剧烈变化的分界点，静压在此处为最小值，而速度和湍动能耗散率为最大值。
4.以全流场定常计算的结果为基础，利用LES湍流模型非定常数值模拟，以第4圈收敛后的流场为例，分析了不同时刻下的流场变化规律;对叶轮、导叶和射流器内各个监测点的压力脉动数据进行幅域分析，通过FFT快速傅里叶变换分析了监测点的频域特性。结果表明:叶轮内各个监测点的压力脉动最强频率在290.06Hz附近，监测点的数值模拟主频与理论计算所得的转频与叶频略有偏差;导叶内各监测点压力脉动的主频都是叶片的通过频率。
5.采用修正的RNGk-ε湍流模型，设定进口处气体的容积含气率αg分别为5％、10％、15％和20％，气泡直径为0.1mm，在单相计算收敛后数值模拟了气液两相全流场。结果表明:当含气率αg＜0.05时，泵性能不会发生较明显的变化;当含气率αg＞0.05时，扬程几乎减半，气体破坏了流动的连续性;在L=20mm～90mm之间液相速度大于气相速度，气液两相速度差为1m/s～2m/s;在L=90mm～150mm之间时气相速度大于液相速度，两相最大速度差为4m/s。
6.本文提出的射流式自吸电泵的水力设计方法满足设计要求，为该类型泵的工程应用提供了一种设计思路。