流体机械

参数名称	原型泵参数	模型泵参数
额定转速/（r⋅min^-1）	333.33	1 000
设计扬程/m	162.0	32.05
设计流量/（m³⋅s^-1）	22.05	0.215 5
叶轮低压边直径/mm	1 753.7	260.0
叶轮出口高度/mm	320.0	47.44
叶轮叶片数	9	9
活动导叶叶片数	16	16
固定导叶叶片数	16	16

参数名称	原型泵参数	模型泵参数
额定转速/（r⋅min^-1）	333.33	1 000
设计扬程/m	162.0	32.05
设计流量/（m³⋅s^-1）	22.05	0.215 5
叶轮低压边直径/mm	1 753.7	260.0
叶轮出口高度/mm	320.0	47.44
叶轮叶片数	9	9
活动导叶叶片数	16	16
固定导叶叶片数	16	16

区域	网格数量/万	网格质量
进水管域	74.2	0.47
蜗壳域	148.1	0.20
固定导叶域	264.9	0.30
活动导叶域	253.6	0.30
叶轮域	332.8	0.32
总计	1 073.6	—

区域	网格数量/万	网格质量
进水管域	74.2	0.47
蜗壳域	148.1	0.20
固定导叶域	264.9	0.30
活动导叶域	253.6	0.30
叶轮域	332.8	0.32
总计	1 073.6	—

测站	小于某粒径级（mm）的沙重占比/%	最大粒径/mm	中数粒径/mm
鲤鱼洲	9.66	15.03	33.36	54.5	69.88	80.57	94.99	100	0.5	0.021
海心沙	10	14.86	33.63	53.93	69.88	80.47	94.55	100	0.5	0.022

测站	小于某粒径级（mm）的沙重占比/%	最大粒径/mm	中数粒径/mm
鲤鱼洲	9.66	15.03	33.36	54.5	69.88	80.57	94.99	100	0.5	0.021
海心沙	10	14.86	33.63	53.93	69.88	80.47	94.55	100	0.5	0.022

项目	试验结果	模拟结果	误差/%
扬程/m	162	162	0
流量/（m³⋅s^-1）	22.42	23.12	3.12
效率/%	92.34	91.11	1.33

项目	试验结果	模拟结果	误差/%
扬程/m	162	162	0
流量/（m³⋅s^-1）	22.42	23.12	3.12
效率/%	92.34	91.11	1.33

角度/（°）	试验磨损率/（μg⋅cm^-2⋅h^-1）	原始Oka模型	考虑形状因子修正的Oka模型
10	60	112.8	87.9	45.0	-25.0
20	77	158.9	106.4	63.5	-17.5
30	120	248.5	107.1	99.2	-17.3
40	154	411.2	167.0	164.2	6.6
50	179	541.3	202.4	215.7	20.5
60	237	657.7	177.5	262.2	10.6
70	258	661.8	156.5	264.3	2.4
80	314	860.5	174.0	343.3	9.3

角度/（°）	试验磨损率/（μg⋅cm^-2⋅h^-1）	原始Oka模型	考虑形状因子修正的Oka模型
10	60	112.8	87.9	45.0	-25.0
20	77	158.9	106.4	63.5	-17.5
30	120	248.5	107.1	99.2	-17.3
40	154	411.2	167.0	164.2	6.6
50	179	541.3	202.4	215.7	20.5
60	237	657.7	177.5	262.2	10.6
70	258	661.8	156.5	264.3	2.4
80	314	860.5	174.0	343.3	9.3

相对位置	压力/Pa
0.104 170	-8 133.3	-8 136.5	-8 173.5
0.206 220	-2 961.5	-2 991.3	-3 114.6
0.306 389	7 484.7	7 407.5	7 172.2
0.405 591	27 122.3	27 044.5	26 808.7
0.504 963	54 759.6	54 687.3	54 457.1
0.604 945	89 918.4	89 848.1	89 622.8
0.705 492	133 113	133 051	132 834
0.806 690	183 500	183 459	183 296
0.908 133	229 504	229 481	229 447

相对位置	压力/Pa
0.104 170	-8 133.3	-8 136.5	-8 173.5
0.206 220	-2 961.5	-2 991.3	-3 114.6
0.306 389	7 484.7	7 407.5	7 172.2
0.405 591	27 122.3	27 044.5	26 808.7
0.504 963	54 759.6	54 687.3	54 457.1
0.604 945	89 918.4	89 848.1	89 622.8
0.705 492	133 113	133 051	132 834
0.806 690	183 500	183 459	183 296
0.908 133	229 504	229 481	229 447

过流部件	磨损率/（kg⋅m^-2⋅s^-1）
进水管	7.36×10^-9	3.38×10^-12
叶轮	4.59×10^-6	1.15×10^-8
导叶	5.15×10^-6	4.44×10^-9
蜗壳	2.04×10^-6	6.64×10^-10

过流部件	磨损率/（kg⋅m^-2⋅s^-1）
进水管	7.36×10^-9	3.38×10^-12
叶轮	4.59×10^-6	1.15×10^-8
导叶	5.15×10^-6	4.44×10^-9
蜗壳	2.04×10^-6	6.64×10^-10

基于形状因子修正的带活动导叶离心泵泥沙磨损模拟研究

陆少鹏 ¹ , 高琳 ² , 刘帅 ¹ , 陈门迪 ³ , 樊红刚 ³

流体机械 | 应用技术 2026,54(1): 101-109

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流体机械 |应用技术 2026 , 54 (1) : 101 -109

基于形状因子修正的带活动导叶离心泵泥沙磨损模拟研究

全屏

陆少鹏¹, 高琳², 刘帅¹, 陈门迪³, 樊红刚³

作者信息

¹广东粤海粤西供水有限公司，广东湛江 524033

²中水珠江规划勘测设计有限公司，广州 510610

³清华大学能源与动力工程系，北京 100084

通讯作者:

樊红刚（1976），男，博士，副教授，主要从事流体机械相关研究，通信地址：100084北京市海淀区清华园1号清华大学能源与动力工程系E-mail：fanhg@tsinghua.edu.cn。

作者简介:

陆少鹏（1984），男，硕士，工程师，主要从事机电及信息化研究，E-mail：dxlsp@163.com

Simulation study on sediment wear in a centrifugal pump with adjustable guide vanes based on shape factor modification

Shaopeng LU¹, Lin GAO², Shuai LIU¹, Mendi CHEN³, Honggang FAN³

Affiliations

¹Guangdong Yuehai Yuexi Water Supply Co.，Ltd.，Zhanjiang 524033，China

²China Water Resources Pearl River Planning，Surveying & Designing Co.，Ltd.，Guangzhou 510610，China

³Department of Energy and Power Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China

出版时间: 2026-01-30 doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.01.013

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摘要

收起

针对某大型输水工程中带活动导叶离心泵的泥沙磨损问题，建立一种基于欧拉-拉格朗日方法和形状因子修正Oka模型的数值预测方法，研究低浓度含沙条件下泵内流场特性与磨损规律。结果表明，含沙量不高于0.135 kg/m³时，泥沙对离心泵内部流场影响度不超过5%；磨损主要集中于叶轮吸力面尾缘、前盖板交界处及活动导叶前缘，吸力面磨损强度平均约为压力面的8.3倍；含沙量主导线性调控磨损强度，而粒径则主导磨损分布形态：小颗粒导致吸力面尾缘严重磨损，大颗粒因惯性效应使磨损向压力面及后盖板迁移。研究可为带活动导叶离心泵的抗磨设计与安全运行提供理论依据。

关键词

活动导叶 / 离心泵 / 形状因子 / 磨损特性 / 泥沙参数

Abstract

收起

To address the sediment wear issue in a centrifugal pump with adjustable guide vanes within a large‑scale water diversion project，a numerical prediction method based on the Euler-Lagrangian approach and a shape‑factor‑modified Oka model was established to study the internal flow field characteristics and wear patterns under low‑concentration sediment conditions.The results indicate that when the sediment concentration does not exceed 0.135 kg/m³，its influence on the internal flow field of the centrifugal pump is no more than 5%.Wear is primarily concentrated at the trailing edge of the blade suction side，the junction with the front shroud，and the leading edge of the adjustable guide vanes.The average wear intensity on the suction side is approximately 8.3 times that on the pressure side.Sediment concentration predominantly governs the linear regulation of wear intensity，while particle size primarily governs the wear distribution pattern：small particles cause severe wear at the trailing edge of the suction side，whereas large particles，due to inertial effects，shift wear towards the pressure side and the rear shroud.This study provides a theoretical basis for the wear‑resistant design and safe operation of centrifugal pumps with adjustable guide vanes.

Key words

adjustable guide vane / centrifugal pump / shape factor / wear characteristics / sediment parameters

引用本文

陆少鹏, 高琳, 刘帅, 陈门迪, 樊红刚. 基于形状因子修正的带活动导叶离心泵泥沙磨损模拟研究. 流体机械, 2026 , 54 (1) : 101 -109 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.01.013

Shaopeng LU, Lin GAO, Shuai LIU, Mendi CHEN, Honggang FAN. Simulation study on sediment wear in a centrifugal pump with adjustable guide vanes based on shape factor modification[J]. Fluid Machinery, 2026 , 54 (1) : 101 -109 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.01.013

正文

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0　引言

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在我国某大型跨流域水资源配置工程中，采用了立式单吸单级离心泵组作为核心输水设备。该泵组具有超大流量、超高扬程的特点，并采用带活动导叶的结构设计，旨在拓宽高效运行区间并改善驼峰特性，以适应复杂的调度需求。然而，工程水源泥沙含量虽属较低水平，但其长期累积效应仍对泵组过流部件的耐久性构成严峻挑战^［1］。泥沙颗粒对叶轮、导叶等部件的冲蚀磨损，可能导致离心泵效率下降、振动加剧，甚至结构性破坏，直接威胁泵站的安全稳定运行与工程效益^［2-7］。因此，深入研究带活动导叶离心泵在含沙水流中的磨损机理，对提升该型泵组的可靠性、延长使用寿命，具有重要的工程实际意义。

近年来，国内外学者针对离心泵的磨损研究已取得一定进展，但是对泥沙磨损的模拟精度仍存在较大改进空间^［8-9］。例如，BANDI等^［10］采用欧拉-拉格朗日方法和FINNIE磨损模型，研究了设计扬程11.6 m，流量0.012 m³/s的离心泵的磨损情况，发现尖锐颗粒造成的磨损值比球形颗粒的更高。LAI等^［11］将GRANT和TABAKOFF提出的反射模型与E/CRE磨损模型相结合，计算研究了设计扬程15 m，流量0.069 m³/s的离心泵的磨损速率，指出叶轮是磨损最严重的部位，流速和颗粒参数对磨损速率有重要影响。张自超等^［12］研究了不同比转速离心泵的磨损特性，发现随着比转速的增大，叶片中心块状磨损区域消失，叶片上的磨损逐渐降低。尽管上述研究揭示了泥沙颗粒与泵体部件之间的磨损关系，但在精确预测磨损特性方面仍存在不足^［13］。尤其是在大型离心泵领域，缺乏对泵体大尺寸、复杂工况下磨损机制的深入研究。

此外，现有离心泵的磨损预测研究，大多基于气固冲蚀试验获取的磨损模型，如FINNIE、AHLERT、HUANG、Oka、ZHANG、MCLAURY等发展的磨损模型^［14］。这些模型直接用于液体介质中的磨损预测时，常常存在较大偏差。SHEN等^［15］利用McLaury磨损模型，研究了颗粒大小和浓度对泵叶轮磨损的影响，发现计算的水力性能与试验结果非常吻合，但计算的磨损面积和磨损强度并不符合预期。一些学者尝试对现有磨损模型进行修正^［16］，但多基于适用于极高含沙浓度的欧拉方法进行改进，缺乏欧拉-拉格朗日框架下的磨损模型改进。例如，QIAN等^［17］通过增加小角度划痕效应，提出了一种改进的液压机械磨损预测模型，但同时指出这种改进方法并不是最有效的。ZHU等^［18］使用欧拉-拉格朗日方法和6种不同的磨损模型，研究了泵磨损情况，并与试验进行了对比，发现Oka磨损模型在所研究的6种模型中准确性相对较好。尽管考虑了速度、粒径、角度、材料硬度的Oka模型，能够适用于固液两相流工况^［19］，但其未考虑颗粒形状这一关键因素的影响。颗粒形状（如球形度、棱角性）显著影响颗粒与壁面的接触方式和能量传递效率，忽略该因素会导致预测精度受限。

为了解决现有模型在离心泵磨损预测中的不足，本文基于欧拉-拉格朗日方法，并在考虑形状因子修正后的Oka磨损模型基础上，开展大型离心泵泥沙磨损研究。与以往基于欧拉方法的研究不同，本文通过引入更符合实际工作环境的修正因素，提高模型对泥沙磨损的预测精度。同时，首次将修正后的Oka模型应用于大型带活动导叶离心泵，并系统分析不同泥沙粒径、浓度及流速等工况对泵体磨损特性的影响，旨在为大型离心泵在高泥沙环境下的优化设计提供理论依据，推动泵站设备的耐磨性研究，为水资源配置工程的可持续运行提供技术支持。

1　数值计算对象及泥沙参数

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1.1　计算对象及计算域

以某大型水资源配置工程中，拟采用的立式单吸单级离心泵为研究对象。该泵组具有超大流量、高功率的显著特点，核心设计特征为叶轮与固定导叶之间设置了活动导叶机构。活动导叶可调节预旋，旨在明显拓宽泵的高效运行区间，改善非设计工况下的运行稳定性，并提升装置的抗驼峰能力。

数值计算基于经相似准则转换后的模型泵参数，以提升计算效率并确保流态相似。模型泵的计算域完整包含了泵内流道的5个关键部分：进水管域、蜗壳域、固定导叶域、活动导叶域和叶轮域，如图1所示。原型泵与模型泵的主要设计参数见表1。

1.2　网格划分与无关性验证

离心泵计算域网格采用ICEM-CFD软件进行划分。为精确捕捉叶轮转动过程中的流动分离现象，准确离散离心泵曲面几何模型，采用六面体结构化网格。为提高计算精度，尽可能保证结构化网格方向与流体流动方向一致，同时保证网格具有良好的正交性，计算域网格如图2所示。为降低网格数量对数值计算结果的影响，经网格无关性检验后，最终确定离心泵全流道网格数量为1 073.6万，各区域网格数量及质量如表2所示。

1.3　泥沙工况参数

研究水源取自某江水，根据其多年水文泥沙资料，选取代表性泥沙参数。多年平均含沙量为0.078 kg/m³，最大月含沙量为0.135 kg/m³，悬移质年输沙量1 558万t，颗粒级配成果见表3。颗粒中数粒径为0.021 mm，粒径小于0.01 mm的泥沙沙重占比为33.36%~33.63%，且粒径小于0.05 mm的泥沙沙重占比近70%，属以细颗粒为主的悬移质。

基于此，文中设定含沙量为0.078 kg/m³和0.135 kg/m³，为系统揭示粒径对磨损的影响规律，在重点覆盖细颗粒典型粒径（0.021，0.05 mm）的基础上，进一步将粒径拓展至0.1 mm和0.25 mm，以考察该规律在粗颗粒端的适用性及潜在转折特征。最终选取的泥沙粒径分别为0.021，0.05，0.1，0.25 mm。由此组合成8组数值模拟工况，系统研究浓度与粒径对带活动导叶离心泵磨损特性的影响。其中，典型泥沙参数组合工况为：含沙量0.078 kg/m³，粒径0.05 mm。

2　数值计算方法与验证

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2.1　数值计算方法

采用ANSYS Fluent对离心泵固液两相流及磨损进行求解。求解内部流场时，湍流模型采用RNG k-ε模型，边界条件采用压力入口边界及压力出口边界，壁面采用无滑移壁面边界，同时采用Scalable壁面函数进行求解。为了耦合转动部分和静止部分，进水管域与叶轮域、叶轮域与活动导叶域的交界面，采用冻结转子方法建立交界面进行连接。

固液两相流计算采用欧拉-拉格朗日方法。在单相流场收敛基础上，从进口释放约10万颗泥沙颗粒，通过DPM模型追踪其轨迹。假设颗粒为球形，忽略颗粒间的碰撞及固液两相间的质量、热量交换。壁面边界条件设置为颗粒反弹。

磨损计算的核心在于磨损模型的选择与修正。文中以Oka模型为基础，该模型较其他模型考虑了较多因素，例如固体颗粒粒径大小、目标材料的密度和维氏硬度等参数，因此被广泛使用。Oka模型^［19］具体表达式如下：

E = E 90 u p V r e f k 2 d p d r e f k 3 f α

（1）

f α = s i n α n 1 1 + H v 1 - s i n α n 2

（2）

式中，E为物体表面磨损率，kg/（m²⋅s）；E₉₀为90°冲角下的相对磨损率，kg/（m²⋅s）；

u p

为颗粒实际速度，m/s；V_ref为固体颗粒撞击速度的参照速度，m/s；d_p为固体颗粒粒径，m；d_ref为参考粒径，m；f（α）为颗粒冲角函数；α为颗粒冲角；

H v

为磨损件表面的维氏硬度；

k 2 = 2.3 H v 0.038

；

k 3 = 0.19

；

n 1 = 0.71 H v 0.14

；

n 2 = 2.4 H v - 0.94

。

鉴于经典Oka模型基于球形颗粒假设，未考虑真实泥沙颗粒的形状特性，文中引入形状因子对其进行修正。该修正旨在更准确地反映非球形颗粒（如具有棱角的泥沙）导致的更严重磨损情况。修正后的磨损率计算如下：

E m o d i f i e d = K ⋅ E 90 u p V r e f k 2 d p d r e f k 3 f α

（3）

K = F S F S O k a

（4）

式中，FS为计算中使用颗粒的形状因子；FS_Oka为Oka等试验中使用颗粒的形状因子。

2.2　数值方法验证

通过对模型泵的外特性参数（包括扬程、效率）进行试验值与模拟值的系统对比，验证所采用的数值模拟方法在预测离心泵性能方面的准确性与可靠性。试验严格遵循GB/T 15613—2023《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验》及SL140—2006《水泵模型及装置模型验收试验规程》正式试验前，对试验台所有关键测量传感器（包括力矩传感器、水头差压传感器、尾水位传感器及电磁流量计）进行现场原位标定，确保测量数据的准确性和可靠性。验证过程中，重点选取设计扬程工况作为典型工况点，测量该工况点下流量、扬程和效率。

表4示出设计扬程工况下离心泵试验与模拟结果的对比。在设计扬程工况下，流量和效率的计算误差分别为3.12%和1.33%，误差均控制在5%以内，表明数值模拟能够准确预测泵的内流场。

为验证经形状因子修正的磨损模型的准确性，采用文献［20］中的90°弯管磨损试验数据进行对比。该试验采用阵列电极法测量了不同位置的真实磨损量。模拟严格复现试验条件，流速为4 m/s，颗粒粒径为0.45 mm，颗粒质量流量为0.235 kg/s。通过UDF提取监测点的颗粒冲击速度和角度，并分别采用原始Oka模型和修正后的模型计算磨损率。弯管磨损率监测点的分布如图3所示。

表5示出各监测点使用原始Oka模型和考虑形状因子修正的Oka模型预测的磨损率，以及与试验值的误差对比。数据表明，随着角度的增加，试验测得的磨损率与2种模型预测的磨损率均呈上升趋势，这表明无论是原始Oka模型还是考虑形状因子修正的Oka模型，均能较为准确地预测磨损分布的基本形态。然而，使用原始Oka模型计算出的磨损率存在过度预测的现象，误差范围在87.9%~202.4%之间；而考虑形状因子修正的Oka模型在预测弯管磨损率方面表现更为准确，所有测点的误差均控制在25%以内。因此，可以得出结论，考虑形状因子修正后的Oka模型在不改变磨损分布基本形态的前提下，有效提高了磨损率数值预测的准确性。

3　结果分析与讨论

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3.1　含沙水流对泵内流场特性的影响

为探究低浓度含沙水流对带活动导叶离心泵内部流场的影响，图4和图5对比清水工况及含沙工况下泵内压力分布，含沙工况选取典型泥沙参数。由图可知，含沙工况与清水工况下，活动导叶、固定导叶及蜗壳的压力分布形态高度相似，高压区与低压区的空间位置未发生显著变化。两种工况下叶轮域，自入口至出口的压力梯度演变规律也基本一致。

图6示出清水工况及含沙工况下叶轮内部速度分布。

由图可知，叶轮内部流线分布均匀，没有出现局部分离流动，在叶轮的作用下，流体速度逐渐增大，在叶轮出口处达到最大。与清水工况相比，引入泥沙颗粒后，泵内速度及压力分布均无明显变化。

为了进一步量化分析，提取叶轮流道中线从入口（相对位置0）到出口（相对位置1）的静压分布，表6列出了数个特征点的具体压力值。可见，2种工况下压力沿流道稳步上升，主要能量转换发生在流道中段（相对位置0.4~0.8）。含沙工况下的压力值略低于清水工况，但最大降幅未超过5%。这主要是含沙量极低，颗粒体积分数远小于0.1%，固体颗粒对主流场的扰动微弱。在含沙量不高于0.135 kg/m³时，泥沙对离心泵内部流场影响度不超过5%，减少泵进口含沙量是保证其长期稳定运行的关键^［21］。

3.2　离心泵磨损分布特性

尽管泥沙对流场整体影响较弱，但其对过流部件表面的冲蚀磨损却不容忽视。表7示出在典型泥沙参数下，各过流部件最大磨损率与平均磨损率的模拟结果。

由表可知，叶轮的磨损最为剧烈，其最大磨损率较进水管域高约3个数量级，这源于叶轮高速旋转带来的高能颗粒碰撞。活动导叶与固定导叶的磨损率也显著高于蜗壳和进水管，凸显导叶在抗磨设计中的关键地位。

图7示出离心泵过流部件磨损分布。叶轮的磨损高度集中，叶片吸力面尾缘及与前盖板交界处形成了片状严重磨损区，其磨损面积约为压力面的1.5倍。这是由于小粒径颗粒（0.05 mm）随流性好，在吸力面尾缘的高速区发生频繁且剧烈的碰撞。活动导叶的磨损则主要集中于其头部前缘，此处流速高且流动方向突变，是颗粒冲击的关键区域。蜗壳的磨损集中在隔舌附近及特殊导叶对应区域，见图7（a）框内区域。

图8示出单个叶片在90%叶高处，吸力面与压力面的磨损率分布。在叶片头部区域外，吸力面的磨损强度显著高于压力面。吸力面平均磨损率为1×10^-8 kg/（m²⋅s），而压力面平均磨损率为1.2×10^-9 kg/（m²⋅s），吸力面磨损率约为压力面的8.3倍。这一现象与HUANG等^［22］的试验结果一致，说明离心泵叶片吸力面与压力面在磨损机理上的显著差异。

磨损分布与颗粒的运动轨迹及其与泵体的碰撞强度密切相关。当流体进入叶轮时，流动方向发生显著变化，并在叶轮旋转下受到离心力的作用。颗粒在流体中被加速并撞击泵体的各个部件。由于本文使用的颗粒粒径为0.05 mm，属于小粒径范围，颗粒具有较好的随流特性，其运动轨迹易受流体流动的影响。因此，颗粒在叶片吸力面上的碰撞速度较大，导致吸力面磨损强度明显高于压力面。颗粒在吸力面撞击时，由于较高的速度和较大的冲击角度，产生的剪切磨损效应更为显著。相比之下，压力面上的颗粒撞击速度较低，冲击角度较小，导致其磨损效应较弱。

此外，叶轮磨损与颗粒的撞击次数密切相关。由于流体和颗粒的流动特性，叶片吸力面的尾缘区域承受较多的颗粒撞击，导致该区域的磨损更加集中和严重。这一现象表明，磨损不仅受到颗粒大小和形状的影响，还与流体的流动特性，以及叶片表面的几何形状密切相关。因此，为了更好地预测和防治泵体磨损，必须综合考虑流体动力学和颗粒行为的相互作用。

3.3　泥沙参数对磨损特性的影响

为探究含沙量与粒径对磨损特性的影响，图9示出不同参数组合下，叶片表面的磨损分布。当含沙量变化时，磨损分布呈现显著规律性。对比同一粒径，含沙量分别为0.078，0.135 kg/m³时叶片的磨损情况，结果表明，含沙量增加主要加剧磨损强度，而非改变磨损的分布。高含沙量工况下，整个叶片表面的磨损率普遍升高，严重磨损区域的位置、范围与形态未发生明显偏移。定量分析显示，同一位置的磨损率比值与含沙量比值接近，均约为3∶5，表明磨损强度与含沙量近似呈线性正相关关系。这源于单位时间内撞击壁面的颗粒数量成比例增加。

对比同一含沙量条件下，粒径分别为0.021，0.05，0.1，0.25 mm时叶轮的磨损分布。结果表明，粒径增大显著改变了磨损的分布。随着颗粒粒径的增大，叶片的磨损逐渐加重，特别是在叶片进口处的磨损更加明显。高磨损率区域从叶片出口靠近前盖板逐渐移至靠近后盖板。颗粒粒径增大时，颗粒的随流性下降，惯性作用增强，导致较大的颗粒更容易冲击至后盖板。因此，强磨损区域发生偏移，且磨损分布发生变化，这表明颗粒的惯性特性在磨损机制中起到了至关重要的作用。

进一步分析粒径对叶片吸力面出口的影响，发现较大粒径的颗粒会使吸力面出口处强磨损区域的磨损面积减小。粒径分别为0.021，0.05，0.1，0.25 mm时，磨损率超过1×10^-7 kg/（m²⋅s）区域面积分别为3.1×10^-4，1.8×10^-4，3.7×10^-5，1.2×10^-5 m²。这表明，随着颗粒粒径的增大，较大的颗粒由于惯性作用，较为集中地冲击某些特定区域，导致这些区域的磨损面积相对较小，但磨损强度却增大。

综合而言，含沙量主要调控磨损的剧烈程度，而泥沙粒径则主导磨损的分布。对于带活动导叶的离心泵，在抗磨设计时需重点关注：低浓度细颗粒工况下，叶片吸力面尾缘与前盖板交界处；高浓度或大颗粒工况下，叶片压力面、进口及后盖板区域。本研究采用的考虑形状因子的修正模型成功捕捉上述复杂变化，可为针对性优化该型离心泵的抗磨设计提供数据支持和理论分析。

4　结论

收起

通过数值模拟方法，对某大型水资源配置工程中采用的带活动导叶离心泵，在含沙水流下的磨损特性进行研究。基于欧拉-拉格朗日方法，引入考虑颗粒形状因子的Oka磨损模型，系统分析低浓度细颗粒条件下，离心泵的内部流场特性及过流部件磨损规律。

（1）低浓度泥沙对带活动导叶离心泵内部流场影响微弱。当含沙量不高于0.135 kg/m³时，与清水工况相比，泵内压力分布、速度场，以及主流能量转换特性未发生显著改变，各监测点压力偏差均小于5%。这表明在此类工况下，流场分析可近似按清水处理，但磨损评估不可或缺。

（2）经形状因子修正的Oka模型显著提升了磨损预测精度。弯管磨损试验表明，修正后的模型将预测误差由原始模型的最高202.4%控制在25%以内，能更准确地反映非球形泥沙颗粒的实际冲蚀效应，为离心泵磨损寿命评估提供了更可靠的数值工具。

（3）活动导叶与叶轮是磨损的核心区域，且分布特征显著。磨损主要集中于叶轮叶片吸力面尾缘、叶轮前盖板交界处，以及活动导叶头部前缘。研究发现，叶片吸力面的磨损强度平均约为压力面的8.3倍，凸显了吸力面在抗磨设计中的关键地位。

（4）含沙量与粒径对磨损的影响机制截然不同。含沙量主要调控磨损的强度，含沙量增加导致磨损量与磨损面积同比增大，但不改变磨损的分布。相比之下，泥沙粒径主要影响磨损的分布：小粒径颗粒随流性好，导致吸力面尾缘严重磨损；而大粒径颗粒惯性作用增强，使磨损点向压力面及叶轮后盖板区域迁移，同时吸力面尾缘的严重磨损面积显著减小。

（5）针对带活动导叶离心泵的优化设计建议：基于上述规律，对于以低浓度细颗粒为主的水源，应重点强化叶轮叶片吸力面尾缘及活动导叶前缘的抗磨措施；若水源中粗颗粒占比较高，则需同时关注压力面及后盖板区域的防护。本研究建立的数值方法可为该型离心泵的耐磨优化设计提供理论依据和技术支持。

参考文献

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文献

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参考文献引证文献

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2026年第54卷第1期

117

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doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.01.013

接收时间：2025-07-28
首发时间：2026-10-22
出版时间：2026-01-30

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收稿日期：2025-07-28
修回日期：2025-10-15

基金

作者信息

¹广东粤海粤西供水有限公司，广东湛江 524033

²中水珠江规划勘测设计有限公司，广州 510610

³清华大学能源与动力工程系，北京 100084

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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TxT

参数名称	原型泵参数	模型泵参数
额定转速/（r⋅min^-1）	333.33	1 000
设计扬程/m	162.0	32.05
设计流量/（m³⋅s^-1）	22.05	0.215 5
叶轮低压边直径/mm	1 753.7	260.0
叶轮出口高度/mm	320.0	47.44
叶轮叶片数	9	9
活动导叶叶片数	16	16
固定导叶叶片数	16	16

参数名称

原型泵参数

模型泵参数

额定转速/（r⋅min^-1）

333.33

1 000

设计扬程/m

162.0

32.05

设计流量/（m³⋅s^-1）

22.05

0.215 5

叶轮低压边直径/mm

1 753.7

260.0

叶轮出口高度/mm

320.0

47.44

叶轮叶片数

活动导叶叶片数

固定导叶叶片数

区域	网格数量/万	网格质量
进水管域	74.2	0.47
蜗壳域	148.1	0.20
固定导叶域	264.9	0.30
活动导叶域	253.6	0.30
叶轮域	332.8	0.32
总计	1 073.6	—

区域

网格数量/万

网格质量

进水管域

74.2

0.47

蜗壳域

148.1

0.20

固定导叶域

264.9

0.30

活动导叶域

253.6

0.30

叶轮域

332.8

0.32

总计

1 073.6

—

测站	小于某粒径级（mm）的沙重占比/%	最大粒径/mm	中数粒径/mm
鲤鱼洲	9.66	15.03	33.36	54.5	69.88	80.57	94.99	100	0.5	0.021
海心沙	10	14.86	33.63	53.93	69.88	80.47	94.55	100	0.5	0.022

测站

小于某粒径级（mm）的沙重占比/%

最大粒径/mm

中数粒径/mm

0.002 5

0.005

0.01

0.025

0.05

0.1

0.25

0.5

鲤鱼洲

9.66

15.03

33.36

54.5

69.88

80.57

94.99

100

0.5

0.021

海心沙

14.86

33.63

53.93

69.88

80.47

94.55

100

0.5

0.022

项目	试验结果	模拟结果	误差/%
扬程/m	162	162	0
流量/（m³⋅s^-1）	22.42	23.12	3.12
效率/%	92.34	91.11	1.33

项目

试验结果

模拟结果

误差/%

扬程/m

162

流量/（m³⋅s^-1）

22.42

23.12

3.12

效率/%

92.34

91.11

1.33

角度/（°）	试验磨损率/（μg⋅cm^-2⋅h^-1）	原始Oka模型	考虑形状因子修正的Oka模型
10	60	112.8	87.9	45.0	-25.0
20	77	158.9	106.4	63.5	-17.5
30	120	248.5	107.1	99.2	-17.3
40	154	411.2	167.0	164.2	6.6
50	179	541.3	202.4	215.7	20.5
60	237	657.7	177.5	262.2	10.6
70	258	661.8	156.5	264.3	2.4
80	314	860.5	174.0	343.3	9.3

角度/（°）

试验磨损率/（μg⋅cm^-2⋅h^-1）

原始Oka模型

考虑形状因子修正的Oka模型

磨损率/（μg⋅cm^-2⋅h^-1）

误差/%

磨损率/（μg⋅cm^-2⋅h^-1）

误差/%

112.8

87.9

45.0

-25.0

158.9

106.4

63.5

-17.5

120

248.5

107.1

99.2

-17.3

154

411.2

167.0

164.2

6.6

179

541.3

202.4

215.7

20.5

237

657.7

177.5

262.2

10.6

258

661.8

156.5

264.3

2.4

314

860.5

174.0

343.3

9.3

相对位置	压力/Pa
0.104 170	-8 133.3	-8 136.5	-8 173.5
0.206 220	-2 961.5	-2 991.3	-3 114.6
0.306 389	7 484.7	7 407.5	7 172.2
0.405 591	27 122.3	27 044.5	26 808.7
0.504 963	54 759.6	54 687.3	54 457.1
0.604 945	89 918.4	89 848.1	89 622.8
0.705 492	133 113	133 051	132 834
0.806 690	183 500	183 459	183 296
0.908 133	229 504	229 481	229 447

相对位置

压力/Pa

清水工况

含沙工况1

含沙工况2

0.104 170

-8 133.3

-8 136.5

-8 173.5

0.206 220

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-2 991.3

-3 114.6

0.306 389

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26 808.7

0.504 963

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54 457.1

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89 848.1

89 622.8

0.705 492

133 113

133 051

132 834

0.806 690

183 500

183 459

183 296

0.908 133

229 504

229 481

229 447

过流部件	磨损率/（kg⋅m^-2⋅s^-1）
进水管	7.36×10^-9	3.38×10^-12
叶轮	4.59×10^-6	1.15×10^-8
导叶	5.15×10^-6	4.44×10^-9
蜗壳	2.04×10^-6	6.64×10^-10

过流部件

磨损率/（kg⋅m^-2⋅s^-1）

最大值

平均值

进水管

7.36×10^-9

3.38×10^-12

叶轮

4.59×10^-6

1.15×10^-8

导叶

5.15×10^-6

4.44×10^-9

蜗壳

2.04×10^-6

6.64×10^-10