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中低比轉數離心泵作為工程中液體輸送的主要機械部件，具有流量小、揚程高等特點。隨著工業技術的迅速發展，擴大離心泵的穩定運行范圍成為亟待解決的工業問題。離心泵在設計流量下運行時流動狀態良好，在小流量下運行時，葉輪流道內會發生嚴重的流動分離及堵塞，進而引發失速，失速團的非定常運動會破壞流場的均勻度以及穩定性，失速引發的振動還可能與其他結構部件發生共振。對于半開式離心泵而言，小流量時流態惡化與失速引發的運行不穩定問題更為突出。由于葉頂間隙的存在，葉頂附近的低能流體在葉片壓力面與吸力面壓差的驅動下，透過間隙進入葉片相鄰流道形成泄漏渦。在近失速工況運行時，來流與泄漏渦相互作用所呈現的旋轉非定常特性加劇了葉輪內部的流動分離及堵塞等非定常脈動現象，是葉輪內部失速發生的重要誘因。失速發生前非定常擾流-葉頂泄漏渦所呈現的非定常脈動特性可以作為預測失速發生的判據。因此，研究葉頂區域泄漏渦的流動結構及其發展演變規律等非穩態特性，對于控制失速及擴大離心泵的穩定運行范圍具有重要意義。
關于葉頂泄漏渦流動特性的研究主要分為兩方面。一方面是葉頂間隙與離心葉輪流動特性之間的關系研究。研究表明，隨著葉頂間隙的減小，總揚程、功耗和水力效率均加大，葉輪內流場分布紊亂，間隙層內流場更平穩;而隨著葉頂間隙的加大，揚程流量曲線駝峰呈減弱趨勢，較大的葉頂間隙可以改善低比速數離心泵的駝峰現象]。另外，葉頂間隙對葉頂區域的壓力脈動也有顯著影響，受泄漏渦的影響，間隙進口處的流場紊亂，壓力脈動幅值較大，隨著間隙變大，葉頂區域的脈動幅值逐漸變大。葉頂間隙的均勻性對流場也有明顯影響，非均勻間隙會變大泄漏渦、二次流的不穩定性。因此，設計合理的葉頂間隙尺寸、均勻度可以改善葉輪內部流態，擴大穩定工作范圍。另一方面是關于葉頂泄漏渦非定常演變機理的研究。研究發現，流道中部以后，間隙流擾亂了主流方向，并在葉頂吸力面附近形成渦流聚集區。在小流量工況運行時，葉頂間隙發生堵塞且葉尖處泄漏渦存在周期性擾動，這種周期性擾動被稱為旋轉失穩，其時域特性表現為高頻信號，頻譜特性表現為寬帶峰。通過分析發現，這種旋轉不穩定性是葉頂間隙泄漏渦與回流相互作用的結果。上述泄漏渦的非穩態特性在氣力機械中研究較為深入，而針對半開式離心泵中葉頂泄漏渦的非定常演化機理的研究較少。且水的密度大、壓縮性小，在泵體中的流動速度遠小于氣力機械，這些水氣之間物性參數的差異，使得氣力機械相關泄漏渦非定常特性的研究無法直接應用于半開式離心泵中。因此，半開式離心泵內葉頂泄漏渦的時域非穩態行為還有待深入研究。
本文基于半開式離心泵全流道非穩態計算結果,對失速發生前葉頂泄漏渦流動結構的不穩定性進行分析，并對比不同流量下泄漏渦結構的演變過程。通過對葉頂泄漏渦非定常特性的研究，揭示泄漏渦的運動特性，為擴大半開式離心泵穩定運行范圍以及改善葉輪內部失速問題提供水力設計參考依據。
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