本章对各元件（尤其是回流器）的内部流场进行分析，从流场分析的角度找出回流器结构设计中存在的问题，并对其结构进行优化设计改进。图5为叶轮单个流道内部的相对速度矢量分布图，从流线可以看出，叶片通道内流体的流动比较顺畅，没有出现明显的回流、漩涡等现象。图6为回流器单个流道内部的速度矢量分布图，从流线可以看出，叶片吸力面存在较大范围的漩涡，严重影响该级性能，甚至影响下一级进口流场的周向均匀性。从回流器叶片前缘流场放大图可以看出，气流方向与叶片前缘匹配不佳，存在较大的冲角，是导致叶片吸力面流体严重分离的主要原因。经过NUMECA软件的后处理模块CFView[17]计算，得到该处的气流角约为21°，而回流器进口角为33°，二者相差12°，严重影响机组性能，因此必须进行结构改进。但是结构的改进必须考虑模型级的变工况性能[18-19] ，因此对该模型级进行了变工况的计算分析。

 在正常工况的基础上，对该模型级进行了变工况数值计算。从图7所示的压比曲线可以看出，当工作流量与正常流量之比在110%左右时，压比较高。

 　 所示的效率曲线可以看出，当工作流量与正常流量之比在110%~130%时，效率较高。综合以上两点说明，该模型级在正常工况下工作时，既没有获得高压比，也没有获得率。也就是说，该模型级的设计流量偏大，不适合工作在正常工况下。 

 正常流量的数值计算结果及分析

　 为叶轮单个流道内部的相对速度矢量分布图，从流线可以看出，叶片通道内流体的流动比较顺畅，没有出现明显的回流、漩涡等现象。图10为回流器单个流道内部的速度矢量分布图，从流线可以看出，叶片吸力面尾部存在小范围的漩涡，与正常工况相比，流动状况明显改善。从回流器叶片前缘流场放大图可以看出，气流方向与叶片前缘仍存在一定的冲角。经过NUMECA软件的后处理模块 计算，得到该处的气流角约为30°，与回流器进口角相差3°，优于正常工况，因此，性能也高于正常工况。

2.4 80%正常流量的数值计算结果及分析

　　在进行小流量的数值计算时，计算收敛不佳，呈周期性震荡。观察图11所示的叶轮单个流道内部流场可以看出，叶片尾部吸力面附近的流动混乱；图12为回流器单个流道内部的速度矢量分布图，可以看出，整个叶片吸力面侧流动混乱，存在大范围的漩涡，甚至影响到叶片压力面的流动。 

　　从回流器叶片前缘流场放大图可以看出，气流方向与叶片前缘存在较大冲角。经过NUMECA软件的后处理模块 计算，得到该处的气流角约为15°，与回流器进口角相差18°。正因如此，回流器内分离严重，漩涡范围较大，进而导致级性能下降。 

2.5 回流器的结构优化及数值分析

　　分析模型级的变工况特性可以发现，回流器叶片前缘的气流角对级性能影响很大，气流角与叶片进口角匹配得好，级性能就高，反之就低。对于该模型级来说，在相对大的流量下工作性能较高，在相对小的流量下工作性能较低。也就是说，该模型级的设计流量偏大，回流器尺寸偏大。要想提高其性能，应该适当减小回流器的进口宽度，以增大气流角，进而更好地适应叶片进口角。

　　为使结构改进具有通用性，本文通过平移回流器隔板型线（如图13所示）来减小其进口宽度，尝试了多种不同的回流器进口宽度。在众多优化方案中，当进口宽度为22.8mm时，模型级正常工况下的性能有了很大提高，具体数据见表1。可见，压比和效率均有所提高，特别是效率提高了近3%，效果十分显著。

  从流场看，叶轮内流动顺畅，没有出现回流、漩涡等现象（如图14所示）；回流器叶片尾部吸力面产生流动分离和小范围漩涡（如图15所示），与结构改进前相比，漩涡范围明显减小。经CFView模块计算，该处的气流角约为32°，与回流器叶片进口角相差无几。

 　在正常工况的基础上，对改进后的模型级进行了变工况数值计算。从图16所示的压比曲线看，当工作流量与正常流量之比在95%～120%之间时，改进后的静压比明显高于改进前；从图17所示的多变效率曲线看，当工作流量与正常流量之比在90%～120%之间时，改进后的级多变效率明显高于改进前，且稳定工况范围增大。综上所述，对于本课题研究的模型级而言，适当减小回流器的进口宽度，对提高其性能具有显著效果。