离心叶轮内三维分离流态的拓扑分析

　　1前言

　　流场结构的拓扑分析,就是要根据实验或数值计算给出的流场信息,来确定流场的拓扑性质(如流场中奇点的类型、数目以及奇点之间的连接关系)和研究这些性质随流动参数变化的规律,从而得到对流场特性的定性认识。因此,它成为认识复杂流动的一种很有用的手段。

　　2叶片流道内分离流动

　　在对离心叶轮中叶片的大量油流实验的研究中,发现了许多有趣的现象。在不同工况油流谱中,可以看到很多不同的分离现象。在设计工况运行时,叶片压力面的流动在叶片前缘很快过渡到稳定的湍流,其流动没有明显地出现分离。但我们不能排除在某种扰动的情况下,流动出现分离的可能。在非设计工况特别是在小流量情况下,压力面的油流谱中存在明显收拢的极限流线。图1为叶片压力面在小流量下的流谱。流谱中反应了大量的信息。由于在真实流动中,气流在物面上应满足无滑条件,因此可以证明。这时，收拢的摩擦力线为分离线。从油流谱中可清楚地看到，在压力面侧，由叶片前缘来的摩擦力线从分离线两侧收拢于分离线。三维定常情况下物面的流动分离，不再是只与近壁流动特性有关的简单现象。对于起始于常点的开式分离

而言，分离面上的流线只能从附着结点在空间表现为鞍点的奇点出发，但鞍点本身除两条边界线以外是不能发出流线的，因此，鞍点附近的流线都来自远方的主线，于是构成分离面的骨架。

　　吸力面的表面分离流态与压力面有所不同，由于受叶轮旋转和轴向旋涡的影响，吸力面边界的流动速度较压力面慢。实验发现，气流对油膜的冲刷不象压力面明显，特别是在叶片的中部以后，即使流动发生分离，产生涡流，也没有明显的冲刷痕迹。可见，吸力面的流速相对压力面的流速低很多。当离心叶轮机械运行在非设计工况时，特别是小流量时，在叶片的前缘部分的油流谱中摩擦力线呈现三类奇点即鞍点、结点或焦点。

　　图2为离心叶轮中叶片吸力面油流图。在图中清楚地看到在叶片前缘呈现一个鞍点和两个结点。从油流流谱的基本骨架，我们可以得到相应的流谱示意图。如图3所示。图中S为鞍点，N1、N2为结点。N'1为螺旋点。鞍点和螺旋点是在大冲角下出现的奇点。在油流谱中出现分离螺旋点的同时，一般还相应地存在着一个或多个鞍点，且由这些鞍点发出的一条摩擦力线以螺旋线的形式进入分离螺旋点。

　　3叶片流道内流动分离拓扑结构

　　离心叶轮内的三元分离流动有其自身的特性，在叶道内压力面上的分离线为极限流线的收拢线，而在吸力面叶片前缘出现鞍型奇点。在吸力面分离较压力面更为严重。因此，在吸力面区域，流动分离是一个复杂的、伴有旋涡生成和发展的三元气泡涡分离。