基于三元反設(shè)計(jì)理論，將環(huán)量vur沿軸面流線的變化梯度作為載荷分布的控制參數(shù)，采用兩段拋物線來(lái)描述載荷沿軸面流線的分布規(guī)律.為了分析載荷分布規(guī)律對(duì)混流泵葉輪設(shè)計(jì)結(jié)果的影響，建立了“前載型”、“中載型”和“后載型”3種混流泵葉輪.基于雷諾時(shí)均的Navier-Stokes方程、SST湍流模型和多參考坐標(biāo)系模型對(duì)3種葉輪內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)葉輪的能量性能和葉片表面壓力分布進(jìn)行分析.結(jié)果表明：采用兩段拋物線表示載荷沿軸面流線的分布規(guī)律是合理的，基于載荷分布的葉片三元反設(shè)計(jì)能有效控制葉片表面的壓力分布特性；載荷峰值點(diǎn)越靠近導(dǎo)邊，葉輪的揚(yáng)程、功率和效率值越高；在設(shè)計(jì)流量工況，前載型葉輪與后載型葉輪的揚(yáng)程、功率和效率的差別分別為18.30%，16.40%和2.01%；不同載荷分布時(shí)葉輪能量性能的差別隨流量的增加而逐漸明顯。

　　葉片載荷分布規(guī)律是水泵葉輪設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)葉輪性能有重要影響。近些年來(lái)，有較多在葉輪設(shè)計(jì)完成后再通過(guò)葉片形狀參數(shù)的調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化的文獻(xiàn)發(fā)表。但在設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)調(diào)整載荷參數(shù)分布規(guī)律來(lái)得到性能優(yōu)良的葉輪的文獻(xiàn)卻很少.現(xiàn)階段，設(shè)計(jì)者對(duì)葉片載荷分配缺少經(jīng)驗(yàn)，往往需要大量的試驗(yàn)修正才能得到滿足要求的葉輪。

　　為了提高設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)葉輪性能的可控制程度，很有必要開展載荷分布規(guī)律對(duì)葉輪設(shè)計(jì)結(jié)果影響的研究.文中基于三元反設(shè)計(jì)理論，將環(huán)量vur沿軸面流線的變化梯度作為載荷分布的控制參數(shù)，以比轉(zhuǎn)數(shù)ns=449的混流泵葉輪設(shè)計(jì)為例，在給定軸面流道形狀和導(dǎo)邊、隨邊位置的前提下，采用兩段拋物線對(duì)載荷沿軸面流線的分布規(guī)律進(jìn)行描述，建立“前載型”、“中載型”和“后載型”3種葉輪.基于AnsysCFX12.0軟件求解雷諾時(shí)均的Navier-Stokes(RANS)方程，對(duì)所設(shè)計(jì)葉輪內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，比較和分析采用不同載荷分布規(guī)律時(shí)葉片表面的壓力分布特性和葉輪的能量性能。

1、葉片載荷分布形式

　　在葉輪內(nèi)流動(dòng)穩(wěn)定、無(wú)黏性且不可壓縮的假定前提下，把其內(nèi)部的三維流動(dòng)分解為周向平均流動(dòng)和周向脈動(dòng)流動(dòng)，用置于葉片中心面上的渦及源匯分別代替葉片和葉厚對(duì)流場(chǎng)的作用，葉片形狀以滿足流動(dòng)邊界條件而迭代確定.在葉片設(shè)計(jì)過(guò)程中需要指定以下條件：①葉輪的軸面輪廓，包括輪轂、輪緣和導(dǎo)邊、隨邊的位置；②葉片導(dǎo)邊、隨邊的渦強(qiáng)度(即環(huán)量vur)沿徑向的分布；③從輪轂到輪緣的各條軸面流線上對(duì)應(yīng)點(diǎn)包角的分布；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)與環(huán)量vur在軸面流線方向上的偏導(dǎo)數(shù)密切相關(guān)，它們滿足關(guān)系式：

　　式中：vm為軸面平均速度；vu為周向平均速度；p+，p-分別是葉片壓力面、吸力面的靜壓；B為葉片數(shù)；m為相對(duì)軸面流線長(zhǎng)度，m=0為導(dǎo)邊，m=1為隨邊.因此給定載荷分布規(guī)律即是給定��(vur)/�祄沿軸面流線的分布規(guī)律.通常將vur除以ωr22s作量綱一化處理，其中r2s為葉片隨邊輪緣處的半徑值.葉片載荷沿軸面流線的分布規(guī)律理論上要滿足以下原則：

　　采用對(duì)稱軸相同的兩段拋物線描述葉片載荷的分布規(guī)律，指定了輪轂流線、葉高中間流線和輪緣流線上載荷的分布規(guī)律.載荷峰值點(diǎn)在軸面流線上的相對(duì)位置是決定載荷分布的一個(gè)重要參數(shù).圖1為葉片載荷沿軸面流線的分布情況.葉片載荷最大點(diǎn)分別位于m=0.2處(前載型)、m=0.5處(中載型)和m=0.8處(后載型)，由此積分可得到圖2所示的環(huán)量沿軸面流線的分布圖。

圖1 葉片載荷沿軸面流線的分布

圖2 環(huán)量沿軸面流線的分布

結(jié)論

　　采用環(huán)量沿軸面流線的梯度作為載荷分布的控制參數(shù)是合理的，可以有效控制葉片表面的壓力分布，由此提高了設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)葉輪性能的可控制程度。前載型葉片的揚(yáng)程、功率和效率都最高，后載型葉片恰好相反.載荷峰值點(diǎn)靠近導(dǎo)邊對(duì)提高葉輪效率有利，載荷峰值點(diǎn)靠近隨邊對(duì)提高葉輪空化性能有利。工程中，往往需要根據(jù)葉輪的具體應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)葉輪的效率和空化性能做出合理取舍，才能獲得理想的葉片載荷沿軸面流線的分布規(guī)律。