沈姍姍，左 強(qiáng)

(1.浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程分院，浙江 紹興 312000；2.浙江大學(xué)城市學(xué)院 機(jī)械系，浙江 杭州 310015)

0 引 言

離心泵通過(guò)葉輪旋轉(zhuǎn)而使水進(jìn)行離心運(yùn)動(dòng)，被廣泛應(yīng)用于電力、化工、核能等眾多領(lǐng)域[1-3]。導(dǎo)葉作為過(guò)流部件，它的作用是降速擴(kuò)壓，同時(shí)能夠降低離心泵徑向力，一般應(yīng)用在核電和大型發(fā)電機(jī)組中[4-5]。仿生學(xué)是通過(guò)對(duì)生物表面微觀結(jié)構(gòu)和功能原理進(jìn)行研究，并基于其原理發(fā)明新的技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于科技生產(chǎn)制造中[6-7]。

近年來(lái)，在離心泵領(lǐng)域運(yùn)用仿生學(xué)原理的研究得到了國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者的關(guān)注。

毋少峰等[8]通過(guò)數(shù)值計(jì)算分析了采用半球凹坑單元結(jié)構(gòu)的光滑—非光滑交錯(cuò)分布非光滑表面配流盤(pán)對(duì)高壓海水軸向柱塞泵的水力特性影響，結(jié)果表明：采用非光滑表面結(jié)構(gòu)的配流盤(pán)可以改善其潤(rùn)滑性能；張金鳳等[9]對(duì)帶有貓頭鷹羽毛端部鋸齒結(jié)構(gòu)的管道泵內(nèi)部流場(chǎng)與聲場(chǎng)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：仿生葉片尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)能夠改善壓力脈動(dòng)、穩(wěn)定流場(chǎng)和降低噪聲；孫藝文等[10-11]將凹坑形仿生單元體應(yīng)用在泥漿泵活塞表面結(jié)構(gòu)上，發(fā)現(xiàn)了合理的凹槽結(jié)構(gòu)能夠提高活塞的使用壽命；牟介剛等[12-13]采用仿生蝸殼對(duì)離心泵內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，結(jié)果表明：仿生蝸殼能對(duì)泵內(nèi)流場(chǎng)壓力脈動(dòng)能[14]起到改善作用；LEU T S等[15]模擬蚊類(lèi)吸血機(jī)理研制了一種新型仿生微泵，通過(guò)改變蚊子嘴的大小，確定了瞬時(shí)流動(dòng)過(guò)程的最佳波形；XIA D[16]設(shè)計(jì)了一種永磁驅(qū)動(dòng)的仿生人工心臟血泵，較好地解決了血泵由體外向體內(nèi)供電及體內(nèi)能量轉(zhuǎn)換部件產(chǎn)生的熱量問(wèn)題；BüGENER N等[17]基于蜿蜒河流的吸力管道的仿生設(shè)計(jì)，對(duì)軸向柱塞泵進(jìn)行了CFD分析，確定了總壓損失最大的區(qū)域，并且發(fā)現(xiàn)了彎曲形狀設(shè)計(jì)可以明顯降低壓力損失和壓力脈動(dòng)。

目前，將仿生技術(shù)應(yīng)用在導(dǎo)葉式離心泵的研究還較少[18-19]。

本文將研究分析鯊魚(yú)鰭微觀結(jié)構(gòu)，將其運(yùn)用在葉輪葉片上，對(duì)導(dǎo)葉式離心泵在多工況下的流場(chǎng)進(jìn)行非定常計(jì)算，以分析離心泵的徑向力的變化特性以及泵內(nèi)部流場(chǎng)的分布規(guī)律，為導(dǎo)葉式離心泵優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 計(jì)算模型與數(shù)值計(jì)算方法

1.1 計(jì)算模型

本文選用的計(jì)算對(duì)象為帶有徑向?qū)~的離心泵，其由葉輪、導(dǎo)葉、蝸殼、以及進(jìn)出口水管組成。

計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型

其中：葉輪葉片數(shù)Zi=6，導(dǎo)葉葉片Zg=7。

該泵的額定轉(zhuǎn)速n=1 450 r/min，設(shè)計(jì)流量為Qd=800 m3/h，揚(yáng)程為H=96 m，效率為η=78.5%。

1.2 仿生結(jié)構(gòu)

鯊魚(yú)捕食時(shí)的行進(jìn)速度非?？?，可達(dá)10 m/s～20 m/s[20-21]。鯊魚(yú)游動(dòng)時(shí)主要依靠軀體、尾以及鰭來(lái)實(shí)現(xiàn)推進(jìn)，特別是通過(guò)背鰭保持穩(wěn)定性。

鯊魚(yú)鰭結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 鯊魚(yú)鰭結(jié)構(gòu)

圖2中，鯊魚(yú)背鰭前沿呈扁尖狀，高度和厚度沿脊椎向后逐漸增大。從流體動(dòng)力學(xué)角度分析，這種特殊的結(jié)構(gòu)改變了鯊魚(yú)在游動(dòng)時(shí)皮膚表面的湍流層的結(jié)構(gòu)與速度分布，抑制了附面層的湍流脈動(dòng)，從而減小了摩擦阻力，具有低流動(dòng)阻力的流動(dòng)特征。

筆者通過(guò)對(duì)鯊魚(yú)背鰭這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化與提取，并將其運(yùn)用在離心泵葉片前緣位置，得到了仿鯊魚(yú)鰭葉片。

1.3 網(wǎng)格劃分及無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

對(duì)導(dǎo)葉式離心泵采用不同數(shù)量的網(wǎng)格進(jìn)行無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。本文分別用5組不同尺度網(wǎng)格，對(duì)導(dǎo)葉式離心泵設(shè)計(jì)工況，即n=1 450 r/min，Qd=800 m3/h進(jìn)行數(shù)值模擬。

不同網(wǎng)格數(shù)量的外特性模擬值如表1所示。

表1 不同網(wǎng)格數(shù)量的外特性模擬值

從表1中可看出：當(dāng)網(wǎng)格數(shù)大于102 569后，導(dǎo)葉式離心泵的揚(yáng)程和效率基本保持不變，因此最終選用網(wǎng)格數(shù)量為102 569左右。

1.4 數(shù)值計(jì)算方法以及邊界條件設(shè)置

本文選用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型，通過(guò)Pumplinx進(jìn)行計(jì)算。進(jìn)口設(shè)置為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，出口選用流量，壁面采用無(wú)滑移條件；

采用SIMPLEC算法和二階迎風(fēng)格式離散差分方程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，收斂精度為10-4；

設(shè)置葉片旋轉(zhuǎn)一步轉(zhuǎn)過(guò)3°，旋轉(zhuǎn)120步，葉輪旋轉(zhuǎn)一周。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 外特性分析

本文所研究?jī)?nèi)容的試驗(yàn)在閉式試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行，試驗(yàn)裝置及外特性試驗(yàn)對(duì)比如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)裝置及外特性試驗(yàn)對(duì)比

通過(guò)對(duì)比圖3可知：

由5個(gè)典型流量工況的計(jì)算結(jié)果可知，原模型和仿鯊魚(yú)鰭葉片模型的數(shù)值計(jì)算值與試驗(yàn)值基本吻合；同時(shí)，發(fā)現(xiàn)仿仿鯊魚(yú)鰭葉片模型的揚(yáng)程和效率都較原模型有提高，說(shuō)明仿鯊魚(yú)鰭葉片能改善泵內(nèi)流動(dòng)。

2.2 徑向力分析

在不同流量工況下，原模型與仿鯊魚(yú)鰭葉片模型葉輪和導(dǎo)葉徑向力矢量分布如圖4所示。從圖4中可以清楚地看出，每個(gè)矢量點(diǎn)所代表葉輪徑向力的大小和方向。

由圖4可知：

(1)兩種模型下的葉輪徑向力的大小和方向時(shí)刻在發(fā)生變化，并呈現(xiàn)周向分布，表現(xiàn)出明顯的動(dòng)靜干涉特性；

(2)在小流量工況下，兩模型葉輪矢量徑向力的波形基本相似，但仿鯊魚(yú)鰭葉片相比原模型，F(xiàn)x和Fy均有所減小，其葉輪矢量徑向力的變化幅度也在明顯減小，改善動(dòng)靜干涉作用；

(3)在設(shè)計(jì)流量工況下，葉輪徑向力變化相對(duì)較規(guī)則，基本保持由原點(diǎn)為中心對(duì)稱(chēng)，同時(shí)該工況下的兩種模型下葉輪的Fx變化幅度相比小流量工況大，仿鯊魚(yú)鰭葉片對(duì)Fy有減小作用，對(duì)Fx有增大作用，動(dòng)靜干涉作用也在減弱；

(4)在大流量工況下，兩種模型下的葉輪徑向力變化劇烈，呈現(xiàn)明顯而又規(guī)則的星型分布，仿鯊魚(yú)鰭葉片對(duì)Fy略有增大，對(duì)Fx正方向的力有較大的增大幅度，同時(shí)隨著流量的增大，可以發(fā)現(xiàn)葉輪徑向力表現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，葉輪星型分布特征越趨于明顯。

從圖4所示的導(dǎo)葉徑向力可知：

(1)兩種模型下的導(dǎo)葉徑向力的大小和方向呈現(xiàn)周期性變化，并呈現(xiàn)七角星星形分布；

(2)在小流量工況下，相對(duì)于原模型，仿鯊魚(yú)鰭葉片對(duì)導(dǎo)葉徑向力有增大作用，特別是Fx負(fù)向壓力增大較多；

(3)在設(shè)計(jì)流量工況下，兩種模型下的導(dǎo)葉徑向力幅值和振幅基本相同，導(dǎo)葉徑向力的大小和方向變化劇烈，說(shuō)明該流量工況下仿鯊魚(yú)鰭葉片對(duì)導(dǎo)葉徑向力的改善不大；

(4)在大流量工況下，可以看出仿鯊魚(yú)鰭葉片模型下的導(dǎo)葉徑向力Fy下降明顯，同時(shí)振幅也相應(yīng)的減小。

圖4 徑向力矢量分布

3 內(nèi)流場(chǎng)特性分析

3.1 葉片壓力分布

在不同流量下，葉片原模型和仿鯊魚(yú)鰭葉片模型的壓力云圖如圖5所示。

由圖5可知：

(1)兩個(gè)模型下的葉片都呈現(xiàn)明顯的壓力梯度，葉片頭部壓力最小，葉片尾部壓力最大，由葉片頭部到葉片尾部壓力是逐漸增大的，且位于葉片壓力面的壓力是大于葉片吸力面的，這是因?yàn)榱黧w進(jìn)入流道內(nèi)，在離心力的作用下能量增加，同時(shí)與葉片發(fā)生碰撞，葉片沿著葉輪流道方向壓力逐漸增大；

(2)在小流量工況下，仿鯊魚(yú)鰭葉片模型在葉片尾部所形成的高壓區(qū)大于原模型，但原模型的次高壓的區(qū)域面積較仿鯊魚(yú)鰭葉片模型大，這說(shuō)明了仿鯊魚(yú)鰭葉片模型在改善葉輪出口處的壓力分布，使葉輪與導(dǎo)葉的動(dòng)靜干涉作用得到了改善；

(3)隨著流量的增加，可以明顯發(fā)現(xiàn)兩模型葉片頭部的低壓區(qū)面積在減小，葉片尾部的高壓區(qū)同樣在減小，并且兩者的壓力分布也基本相似，這也進(jìn)一步說(shuō)明了仿鯊魚(yú)鰭葉片模型對(duì)葉輪流道的流動(dòng)沒(méi)有多大影響。

圖5 葉片壓力分布

3.2 內(nèi)流場(chǎng)壓力分布

在不同流量下，葉片原模型和仿鯊魚(yú)鰭葉片模型泵內(nèi)流場(chǎng)壓力分布圖如圖6所示。

圖6 內(nèi)流場(chǎng)壓力分布

由圖6可知：

(1)兩個(gè)模型下的泵內(nèi)流場(chǎng)均表現(xiàn)出明顯的壓力梯度變化：流體壓力沿著葉輪流道流動(dòng)方向是逐漸增大的，沿著導(dǎo)葉流道，流體壓力同樣是逐漸增大的；從導(dǎo)葉到環(huán)形壓水室，流體壓力梯度變化較小，而且環(huán)形壓水室的壓力基本上沒(méi)變化，這說(shuō)明流體沿導(dǎo)葉進(jìn)入到環(huán)形壓水室，流動(dòng)是逐漸平穩(wěn)的；

(2)仿鯊魚(yú)鰭葉片模型與原模型的泵內(nèi)壓力分布基本相似，都隨著葉輪旋轉(zhuǎn)和流量的增加呈現(xiàn)周期性變化。相較于原模型，仿鯊魚(yú)鰭葉片模型下的壓力區(qū)域特別是在葉輪出口處和導(dǎo)葉流道內(nèi)的壓力是在減小的，同時(shí)隨著流量的增加，葉片頭部低壓區(qū)是顯著減小的，而泵內(nèi)流場(chǎng)整體壓力也是逐漸減小的，這是因?yàn)榉迈忯~(yú)鰭葉片改變了葉輪進(jìn)口流體的流動(dòng)特性，使其壓力進(jìn)一步降低，并且經(jīng)過(guò)了葉輪的做功，其改善作用被充分體現(xiàn)出來(lái)；

(3)在葉輪流道內(nèi)和環(huán)形蝸殼中的壓力分布基本沒(méi)有變化，這說(shuō)明仿鯊魚(yú)鰭葉片對(duì)泵內(nèi)葉輪流道和環(huán)形蝸殼內(nèi)流場(chǎng)的影響不大，但改善了葉輪出口處和導(dǎo)葉流道內(nèi)的壓力分布，從而使葉輪與導(dǎo)葉的動(dòng)靜干涉作用得到了改善。

3.3 湍動(dòng)能

不同流量工況下，葉片原模型和仿鯊魚(yú)鰭葉片模型泵內(nèi)流場(chǎng)中截面上的湍動(dòng)能分布圖如圖7所示。

圖7 湍動(dòng)能分布

由圖7可以發(fā)現(xiàn)：

(1)湍動(dòng)能主要集中在葉輪流道、葉輪出口處、導(dǎo)葉流道內(nèi)以及環(huán)形蝸殼內(nèi)，其中在葉輪出口處和導(dǎo)葉流道內(nèi)產(chǎn)生的湍動(dòng)能分布是最多的；

(2)在小流量工況下，兩種模型下泵內(nèi)流場(chǎng)的湍動(dòng)能在小流量工況下基本相同，葉輪出口、導(dǎo)葉進(jìn)口以及導(dǎo)葉流道都有湍動(dòng)能產(chǎn)生，且在導(dǎo)葉進(jìn)口靠近導(dǎo)葉頭部位置湍動(dòng)能表現(xiàn)為最大；

(3)在設(shè)計(jì)流量工況下，兩模型下湍動(dòng)能明顯下降，湍動(dòng)能主要分布位置沒(méi)有發(fā)生變化，但仿鯊魚(yú)鰭葉片模型相比原模型湍動(dòng)能整體明顯減小，特別是在導(dǎo)葉進(jìn)口以及導(dǎo)葉流道部位較為明顯，這說(shuō)明仿鯊魚(yú)鰭葉片減緩了泵內(nèi)流動(dòng)不穩(wěn)定性，進(jìn)而削弱了葉輪與導(dǎo)葉的動(dòng)靜干涉作用；

(4)在大流量工況下，兩模型下的湍動(dòng)能急劇減小，湍動(dòng)能主要分布在導(dǎo)葉流道內(nèi)和環(huán)形壓水室，其中產(chǎn)生在環(huán)形蝸殼內(nèi)的湍動(dòng)能是明顯增多的，而仿鯊魚(yú)鰭葉片模型下環(huán)形壓水室出口處的湍動(dòng)能是明顯小于原模型的。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)分析鯊魚(yú)鰭微觀結(jié)構(gòu)，將其運(yùn)用在葉輪葉片上，對(duì)導(dǎo)葉式離心泵在多工況下的流場(chǎng)進(jìn)行了非定常計(jì)算，分析了離心泵的徑向力的變化特性以及泵內(nèi)部流場(chǎng)的分布規(guī)律。

主要結(jié)論如下：

(1)仿鯊魚(yú)鰭葉片能夠改善泵內(nèi)流動(dòng)特性，導(dǎo)葉式離心泵的揚(yáng)程和效率均有一定的提高；

(2)葉輪徑向力和導(dǎo)葉徑向力的波形均保持一致，仿鯊魚(yú)鰭葉片對(duì)葉輪和導(dǎo)葉徑向力都有一定改善作用，隨著流量的增大，兩者徑向力都呈現(xiàn)出減小的趨向，改善了葉輪與導(dǎo)葉的動(dòng)靜干涉作用；

(3)葉片頭部壓力小、尾部和環(huán)形蝸殼內(nèi)壓力較大，葉片壓力面的壓力大于吸力面，隨著葉輪旋轉(zhuǎn)和流量的增加，均表現(xiàn)出一定的周期性變化規(guī)律，仿鯊魚(yú)鰭葉片能改善葉輪出口和導(dǎo)葉流道內(nèi)的壓力分布，改善了葉輪與導(dǎo)葉的動(dòng)靜干涉強(qiáng)度；

(4)湍動(dòng)能主要產(chǎn)在葉輪流道、葉輪出口處、導(dǎo)葉流道內(nèi)以及環(huán)形蝸殼內(nèi)，隨著流量的增加，泵內(nèi)湍動(dòng)能是明顯減少的，仿鯊魚(yú)鰭葉片模型相較于原模型明顯使泵內(nèi)湍動(dòng)能的產(chǎn)生減少，改善了泵內(nèi)流動(dòng)不穩(wěn)定性。