井用潜水泵作为灌溉系统首部枢纽和供水管网的重要组成部分,其性能的好坏直接影响到农业灌溉工程的工作效率及其稳定性,成为节水灌溉技术研发的首要环节。目前农业灌溉中使用的潜水泵机组效率普遍不高,且绝大部分机组仅在设计点能较高效的运行,在非设计点效率偏低,水泵总体适应性较差。导流器作为影响水泵性能最大的部件之一,开展以提高井用潜水泵性能为目标的导流器工作机理及其优化设计研究,掌握导流器内部的液体运动规律,明晰导流器结构参数及参数耦合对潜水泵性能的作用方式与影响程度,对提高潜水泵性能、优化设计思路有着重要的理论与实践指导意义,为农业节水技术的探索提供一个新思路。本文在国家自然科学基金项目(51179116)、山西省自然科学基金项目(201601D102045)等支持下,结合企业生产,以250QJ125-16/1型号的潜水泵导流器为研究对象,结合理论分析、计算机仿真与试验研究,构建出不同结构参数导流器模型,并进行内部流场特性研究,探寻导流器结构参数对潜水泵性能的影响;同时,对导流器参数耦合作用下,潜水泵性能的变化规律进行分析。研究结论如下:(1)导流器结构尺寸的设计需考虑与前端叶轮出口和后端管道出口或下级叶轮进口的有效衔接;加大导流器叶片进口安放角和进口宽度,导流器特性曲线与流量坐标轴之间的夹角都将变小,潜水泵的最佳工况位置向大流量偏移;根据导流器和叶轮的特性,可采用计算法和图解法确定出结构参数不同的导流器与同一叶轮匹配的井用潜水泵最佳工况位置。(2)对于具有复杂曲面构造的潜水泵叶轮、导流器和其它水力部件,采用NURBS方法控制实体曲面,根据反算得出的轴面截线控制点数据,对扭曲度较大的叶片实施曲面建模,能更好地控制叶片表面与实体的吻合度,进一步满足工程计算的要求;网格划分质量是仿真模拟计算成败的关键,其中,网格数量和解变量收敛精度选择需合理,保证既满足工程实际要求,又占用较少资源。(3)利用AutoCAD的数字建模功能、Gambit的网格划分技术和Fluent的数值计算技术,模拟得到的水泵预测扬程与设计扬程的相对误差值为5.37%,误差精度符合要求,说明采用Fluent模拟所得计算结果可靠性较高,该方法对指导导流器结构设计、预测潜水泵性能是完全适用的。(4)原型潜水泵导流器内部水流的速度分布和压力分布显示:在叶片与轮毂的进口交汇部位及轮毂表面靠近叶片进口背面的位置处,均存在明显旋涡和低压区,导流器在进口处的结构参数变化极易诱发并扩大水体的回流和漩涡的产生,对流场分布影响明显;沿导流器中心轴线方向,断面平均流速逐级递减,而从进口到出口的轴向分速度变化不明显;沿导流器轴线方向,不同断面的总压均值呈下降分布,由入口位置处的185.47KPa逐步递减到出口的173.85KPa,整个水流流动过程存在能量损失;对于流速分布和总压变化曲线,通过对其光滑度和曲线上任意两点斜率的变化速率做比较,可判断出较大能量损失发生的部位,进而对其结构参数做出修正。结合导流器结构参数类型,初步判断出导流器叶片进口安放角、进口宽度、叶片轴向长度、叶片数等结构参数对潜水泵性能影响较大,据此可为后续导流器结构的改进和参数优化提供参考依据。(5)随着叶片进口安放角的增加,潜水泵最佳工况位置有向着流量增大的变化趋势,与前面理论分析的结果一致;叶片进口安放角取值范围在[27~o,30~o]时,水泵效率能够达到75%以上,属于高效运行区,其对应工况的入口流量最小为95m~3/h、最大为125m~3/h,一定程度上拓宽了水泵的使用范围;安放角不足27~o和超过30~o的区间属于低效运行区,在设计时尽量避开此区域。导流器叶片进口宽度不同,潜水泵最高效率点对应的工况亦不同。随着进口宽度的增加,最佳工况位置有向着流量增大的变化趋势,与前面理论分析的结果一致;进口宽度在40mm~55mm之间时,导流器出口断面的圆周速度均趋近于0,叶轮出口水流的速度环量基本消除,效率均达到75%以上,其中,在原设计工况下,进口宽度取50mm时的水泵效率最高,说明50mm进口宽度的导流器能更好地与设计叶轮匹配。增加导流器轴向长度后,液流流道加长,导流器叶片扭曲度下降,能够使液流流态更加趋于平稳;对于原型潜水泵,导流器轴向长度的最佳阈值区间是80mm~100mm,该区间内潜水泵的扬程和效率随轴向长度的增加而递增,一定程度上修正了轴向长度的取值范围。随着导流器叶片数的增加,潜水泵的扬程和效率都呈递增趋势;对于原型潜水泵,水力性能较好的导流器叶片数阈值区间为[7,10]。选取叶片数需结合生产工艺,不能仅仅为了提高水泵水力效率而不考虑铸造时叶片造型的难易度和成本,随意增加导流器叶片数。导流器叶片数的选择需结合水泵性能和生产成本,使其达到综合效益最高。以上得到的满足潜水泵较高运行效率的导流器叶片进口安放角、进口宽度、叶片轴向长度和叶片数等结构参数阈值区间,对指导不同工况下导流器的结构参数设计提供了有效的参考。(6)对于潜水泵扬程和效率来说,导流器结构对它的作用效果来自于两个方面,一个是导流器结构参数的直接作用,另一个是结构参数通过其它参数的间接作用。综合作用效果不是直接和间接作用的简单相加或相减,需分别计算出各参数的决定系数值,并进行比较。对于扬程来说,叶片进口安放角>轴向长度>进口宽度>叶片数;对于效率,轴向长度>叶片进口安放角>进口宽度>叶片数。针对原型叶轮,潜水泵效率最高时的导流器结构参数组合为:叶片进口安放角30°、进口宽度45mm、轴向长度100mm,叶片数8,所取参数均位于各参数的最佳阈值区间,此时,潜水泵效率达到83.5%,对应扬程为18.9米,该参数组合进一步优化了原型潜水泵的性能。由于导流器各参数及其耦合关系对潜水泵性能的影响程度及作用方式不同,潜水泵性能预测时,可建立起依据工程寻优理论预先对流场结构参数进行定性评估,锁定参数后,由通径分析做出定量评估,进而指导关键参数选择的方法。设计上,一方面,按影响顺序对性能影响大的结构参数重点考虑,另一方面,在满足水泵性能的基础上,兼顾生产工艺及生产成本,合理顾及非重点参数,积极发挥其对性能提升有利的方面,达到潜水泵性能的最优化。