仿生蝸殼離心泵內部非定常流動特性分析

牟介剛,劉　劍,谷云慶,代東順,鄭水華,吳登昊

(1.浙江工業(yè)大學 機械工程學院,浙江 杭州310014；2.浙江工業(yè)大學 之江學院,浙江 杭州310014)

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仿生蝸殼離心泵內部非定常流動特性分析

牟介剛1,劉劍1,谷云慶1,代東順1,鄭水華1,吳登昊2

(1.浙江工業(yè)大學 機械工程學院,浙江 杭州310014；2.浙江工業(yè)大學 之江學院,浙江 杭州310014)

摘要:為了改善離心泵內部流場的非定常流動特性,基于仿生學原理構建仿生非光滑表面蝸殼,利用滑移網格技術對標準蝸殼、仿生蝸殼離心泵內部流場進行非定常計算,研究不同時刻下不同蝸殼離心泵靜壓場及速度場的差異,對比不同蝸殼離心泵壓水室內壓力脈動特性.結果表明：在不同時刻下,仿生蝸殼擴散段內靜壓分布更均勻、壓力梯度更小,速度方向、大小基本保持一致,相對標準蝸殼更不易出現(xiàn)漩渦、二次流及邊界層分離現(xiàn)象；葉片掃過隔舌瞬間,仿生蝸殼葉輪流道內流線分布相對更對稱；一個周期內,仿生蝸殼離心泵壓力脈動最大與最小處的脈動幅值均明顯降低.說明仿生蝸殼能改善離心泵內部非定常流場,且對壓水室內壓力脈動有明顯的抑制作用.

關鍵詞：離心泵；仿生蝸殼；流場；非定常流動；壓力脈動

離心泵作為一種通用機械,廣泛應用于各行各業(yè).但由于過流部件較為復雜,同時伴隨著葉輪與蝸殼之間的動靜干涉,使得離心泵內部呈現(xiàn)復雜的三維非穩(wěn)態(tài)湍流[1-2].且非定常流體引起的水力激勵及動靜干涉帶來的壓力脈動,會誘導流體振動,從而影響離心泵工作性能,嚴重時會損壞系統(tǒng)設備.

若要提高離心泵工作穩(wěn)定性,需要對內部流動規(guī)律深入研究[3-4].當前針對離心泵內部非定常流場的研究主要集中在壓力脈動及徑向力脈動特性2方面.崔寶玲等[5]分析了復合葉輪離心泵內的非定常流動特性,認為離心泵內部壓力和速度在時間上呈現(xiàn)高度非定常性,在空間上呈現(xiàn)高度非對稱性.裴吉等[6]對低比轉數(shù)離心泵內部非定常不穩(wěn)定流動現(xiàn)象的內在機理進行深入研究,結論表明葉輪葉片背面相對速度及葉片后緣尾跡現(xiàn)象隨時間變化明顯,且葉輪出口處流動周期性較強.通過對離心泵葉輪與蝸殼耦合的三維流動進行數(shù)值模擬,郭鵬程等[7]證實了蝸殼與葉輪間的相互作用會引起離心泵全流場的不對稱性.王玉川等[8]在對離心泵葉輪區(qū)瞬態(tài)流動特性進行研究后,發(fā)現(xiàn)葉輪出口處附近隨時間變化的漩渦是內部流場不均勻的主要原因.雖然以上文獻都對離心泵內部非定常流場進行了一定程度探討,但并未提出較為創(chuàng)新的水力結構.仿生技術作為一種較為成熟的技術,被應用于各個行業(yè),但在離心泵行業(yè)尚處于探索階段.任露泉等[9]為了提升離心泵效率,在葉輪區(qū)域采用仿生非光滑技術,結論表明仿生技術具有明顯增效作用.Tian等[10]則模仿海豚特殊皮膚結構在離心泵葉輪表面應用仿生耦合結構進行水泵增效研究,試驗證明確能降低離心泵水力損失.上述研究證明仿生技術可以被應用于離心式的相關領域,但針對離心泵內仿生技術的研究主要集中在葉輪區(qū)域,在蝸殼區(qū)域應用仿生技術的文獻未見報道.

為了改善離心泵內部非定常流場的流動特性,運用仿生學原理,提取生物原型中的非光滑體表特征形態(tài),建立仿生蝸殼結構模型.本文通過數(shù)值模擬的方法,對比分析不同時刻標準蝸殼與仿生蝸殼對泵內部流場的影響,并在離心泵壓水室各斷面設置監(jiān)測點,研究仿生蝸殼對整個離心泵壓水室脈動特性的影響.

1數(shù)值模型與計算方法

1.1生物原型與計算模型

經過億萬年的生物進化,自然界中有些生物具有適應環(huán)境的體表特征.長耳鸮可以在撲食過程中實現(xiàn)高速靜音飛行,經研究表明其獨特的體表消音降噪特性得益于其體表羽翼的特殊結構[11].如圖1(a)所示為長耳鸮生物原型,其羽翼邊緣基本都呈現(xiàn)非光滑圓弧形態(tài),前后緣則呈現(xiàn)宏觀正弦曲線形態(tài).長耳鸮的該特殊形態(tài)翼型目前被主要應用于離心式風機中對氣流噪聲的控制作用方面[12-14],基于兩者工作原理及結構基本類似,故將長耳鸮翼前緣非光滑特征形態(tài)融合于離心泵蝸殼的水力設計中.

研究過程中選取IS80-50-250為原型泵,在設計工況下,基本參數(shù)為：流量qm=50 m3/h,揚程H=80 m,轉速n=2 900 r/min,葉輪相關參數(shù)為葉輪進口直徑D1=80 mm,葉輪出口直徑D2=252 mm,葉片出口寬度b=6.5 mm,葉片數(shù)Z=5.基于長耳鸮翼型形態(tài)參數(shù)[14],并結合蝸殼的設計要求,最終確定仿生非光滑表面蝸殼結構的具體參數(shù).其中：非光滑單元高度h=3～7 mm,非光滑間隔s=26～42 mm,且兩者滿足比值處于0.1～0.2的關系,非光滑單元個數(shù)為2個.該仿生蝸殼的具體結構主要分布在離心泵內部流場最為復雜的部位,即從蝸殼隔舌頭部沿蝸殼圓周方向延伸到蝸殼第Ⅰ斷面附近[15].所得仿生非光滑蝸殼的縱截面輪廓形狀為線性正弦曲線(原蝸殼輪廓曲線為該線性正弦曲線的中線),起點位于隔舌與基圓相切處、終點延伸至蝸殼壓水室的第Ⅰ斷面與第Ⅱ斷面之間,并且第Ⅰ斷面的形狀面積與原第Ⅰ斷面的形狀面積必須保持一致.監(jiān)測點分布在壓水室各重要斷面處,共12點分別對應各斷面序號為P1、P2、…、P12模型及監(jiān)測點示意圖如圖1(b)所示.

圖1　實物及模型示意圖Fig.1　Schematic diagram of entity and model

1.2控制方程及邊界條件

離心泵內部流動為復雜的三維黏性湍流流場,基于此,在數(shù)值模擬計算中選用RNGk-ε湍流模型[16-17],方程為

(1)

(2)

(3)

采用ICEM對離心泵計算域進行網格劃分,其中計算域包含進水管、葉輪、蝸殼、出水管4部分.葉輪和蝸殼部分選用適應性強的四面體非結構化網格,并在隔舌及仿生蝸殼處進行局部加密處理.通過對網格進行無關性分析,綜合揚程的理論值及計算機資源,可知當網格數(shù)大于或等于100萬左右時,揚程相對于網格數(shù)的波動保持在0.2%以內.最終確定標準蝸殼和仿生蝸殼情況下理論模型計算域網格總數(shù)分別為102萬和120萬.

采用CFX設置離心泵計算域的邊界條件,進口邊界選用速度進口,出口邊界為自由出流邊界；固壁均設置為無滑移邊界,壁面粗糙度設置為0.03 mm；流體介質為常溫常壓下水.在定常計算時,葉輪交界面選用凍結轉子模型.在非定常計算時,葉輪交界面采用瞬態(tài)動靜轉子模型,以定常的結果文件為初始條件.非定常時間步長定義為葉輪每旋轉3°所需時間,葉輪的轉動頻率為48.33 Hz,則葉片通過頻率為241.7 Hz.計算周期為6周,選取第6周的數(shù)據進行統(tǒng)計分析.

2離心泵非定常流動特性分析

2.1中截面靜壓場分析

圖2　蝸殼中截面靜壓場Fig.2　Contours of static pressure of volute on cross section

離心泵葉輪包含5個葉片,定義葉輪每旋轉72°為一個計算周期T.一個周期T內,不同時刻標準蝸殼與仿生蝸殼中截面靜壓等值線分布如圖2所示,圖中,p為靜壓、t為時間,FS為仿生蝸殼離心泵、BZ為標準蝸殼離心泵.由圖2可知,由于葉輪與蝸殼之間的動靜干涉作用,以及蝸殼的不同型式,使得葉輪與蝸殼內靜壓分布呈現(xiàn)不同的趨勢：在不同時刻下,葉片相對于隔舌處于不同位置時,仿生蝸殼離心泵內流場更優(yōu)于標準蝸殼離心泵,尤其表現(xiàn)在擴散段內,仿生蝸殼擴散段內靜壓分布更均勻、壓力梯度更小,標準蝸殼擴散段內靜壓則分布更分散,更容易形成漩渦及二次流；當葉片掃過隔舌瞬間時,離心泵內部靜壓分布相對于其他時刻更大,此時隔舌區(qū)域的靜壓顯示為整個中截面上最大,而葉輪進口低壓區(qū)是一個周期中最小的時刻；葉片遠離隔舌,離心泵整體靜壓開始減小,進口區(qū)域的低壓區(qū)卻開始增大,當位于時刻t=2/4T時,泵整體靜壓處于最低值,葉輪進口低壓區(qū)域最大.這是因為當葉輪與隔舌相距最近時,兩者間隙最小使前一個葉片流道內流體無法通過間隙向蝸殼喉部排出,而是由葉輪流道被甩出后,直接形成對蝸殼壁的沖擊,產生強烈的水力激勵以及漩渦,即表現(xiàn)為隔舌區(qū)域最大靜壓.而仿生蝸殼非光滑結構則形成流體彈性區(qū)域,對流體的沖擊其緩沖作用,吸收其壓力能,同時能抑制流體漩渦的形成,從而造成仿生蝸殼非光滑結構上突結構處靜壓最大,但整泵內流場更穩(wěn)定,尤其表現(xiàn)在擴散段.說明仿生非光滑蝸殼結構能有效的改善離心泵非定常流場.

2.2中截面速度場分析

一個計算周期T內,不同時刻標準蝸殼與仿生蝸殼中截面速度等值線分布如圖3所示,圖中,v為速度.不同型式蝸殼,在不同時刻葉輪區(qū)域的速度分布基本一致,但在擴散段內速度分布呈現(xiàn)較大的差別：在不同時刻下,葉片相對于隔舌處于不同位置時,仿生蝸殼離心泵擴散段內流動特性更優(yōu)異,速度分布更均勻,盡管在擴散段入口處會形成漩渦,但擴散段中部或出口處速度分布基本一致,有利于流體流動,標準蝸殼擴散段內速度分布較為混亂,且擴散段壁面邊界層分離嚴重,造成整個擴散段內均會產生漩渦及二次流,較嚴重地阻礙了流體的出流情況,且大量的漩渦及二次流會極大消耗流體的能量；當葉片掃過隔舌瞬間時,仿生蝸殼擴散段入口處低速區(qū)最大,速度梯度大,容易形成大漩渦,但沿著擴散段出流到出口處,仿生蝸殼擴散段低速區(qū)逐漸減小,整個擴散段內速度分布更加均勻,更利于流體流動；標準蝸殼在整個擴散段內壁面邊界層分離現(xiàn)象十分嚴重,低速區(qū)混亂分布,甚至在出口處也會形成漩渦,極大的影響流體出流.

圖3　葉輪中截面速度場Fig.3　Contours of velocity of volute on cross section

2.3中截面流線分析

對比葉片掃過隔舌瞬間與遠離隔舌的各不同時刻發(fā)現(xiàn),蝸殼、葉輪區(qū)域的相對速度分布情況變化不大.現(xiàn)取仿生蝸殼與標準蝸殼中葉片掃過隔舌瞬間,蝸殼與葉輪中截面的相對速度流線圖對比分析,其中蝸殼與葉輪等間距樣本均取為200,即流線密度一致,如圖4所示.由圖4(a)可知,流體進入擴散段后,流場產生嚴重的分化.順著擴散段流線方向,流場一分為二,擴散段右側流體流動順暢,但出流面積逐漸縮小,左側流體流動混亂,出流面積卻逐漸增大；標準蝸殼擴散段相比仿生蝸殼,其擴散段左側流場更為混亂無序,流線形成方向不一致的曲線預示著該流域將產生大量漩渦或二次流,仿生蝸殼擴散段左側雖然存在一個局部漩渦,但其擴散段中部及出口處流場方向基本保持一致,說明該流域流動較為均勻.由圖4(b)可知,流體在流經葉輪流道時,在每一葉片壓力側中部會形成明顯的漩渦,仿生蝸殼葉輪5個漩渦大小、形狀一致,且漩渦速度基本一致；標準蝸殼葉輪中5個漩渦卻并未呈現(xiàn)中心對稱狀態(tài),靠近隔舌的2個葉片處的漩渦形狀較小,且對應的速度大于其他3個漩渦.這將改變整個葉輪流場的分布,使其壓力脈動及受力不均勻,從而影響離心泵的運行.其原因是由于葉片掃過隔舌時,阻礙了上一葉片流道內流體的出流,使其直接撞擊蝸殼形成漩渦,漩渦同時對葉輪流道產生反作用,而仿生蝸殼則由于彈性區(qū)域吸收了部分沖擊能量,大量減緩了漩渦對葉輪區(qū)域的影響.這說明在采用仿生蝸殼時,可以明顯改善蝸殼內流體的流動狀態(tài),且使葉輪內流場分布相對更為均勻、對稱.

圖4　中截面流線圖Fig.4　Flow streamline on cross section

3壓水室脈動特性分析

3.1各監(jiān)測點壓力脈動

如圖5所示為設計工況下所有監(jiān)測點在一個計算周期內的壓力脈動分布.由圖5(a)、(b)可知,壓水室第Ⅰ到第Ⅷ斷面的壓水室處壓力脈動幅值波動更明顯,特別是第Ⅰ斷面脈動幅值為所有監(jiān)測點中脈動幅值最大處,而擴散段的4個斷面處壓力脈動則相對更穩(wěn)定,尤其是第Ⅸ斷面脈動幅值為所有監(jiān)測點中脈動幅值最小處.由圖2或圖3中云圖可以很好地解釋上述現(xiàn)象,由于隔舌與葉輪之間的動靜干涉,使液流受到沖擊作用發(fā)生邊界層分離,以及葉片出口的的“射流-尾跡”等因素的影響,離心泵內壓力脈動最強烈處沿流體偏移到了第Ⅰ斷面附近；而擴散段進口處流體的流動狀態(tài)良好,并沒有如同擴散段中部出現(xiàn)大量的漩渦擾動,使得第Ⅸ斷面處壓力脈動處于整個離心泵內較低值.

圖5　各截面壓力脈動分布Fig.5　Distribution of pressure pulsation on all sections

圖6　壓力脈動時域圖與頻域圖Fig.6　Time-domain and frequency-domain diagram of pressure pulsation

3.2脈動幅值最大與最小截面

基于同一周期內,仿生蝸殼與標準蝸殼各對應監(jiān)測點處壓力脈動特性分布趨勢基本類似,故分別取壓力脈動幅值波動最大處(P1)與最小處(P9)監(jiān)測點具體分析.如圖6(a)、(b)所示分別為不同蝸殼離心泵P1處壓力脈動時域圖與頻域圖,如圖6(c)、(d)所示則分別為不同蝸殼離心泵P9處壓力脈動時域圖與頻域圖,其中A為監(jiān)測點靜壓脈動幅值.由圖6(a)、(c)可知,不同蝸殼離心泵壓水室內靜壓分布呈現(xiàn)明顯的周期性,且周期數(shù)與葉片數(shù)相當；當采用仿生蝸殼時,P1處壓力值時而高于標準蝸殼,時而低于標準蝸殼,但同一周期內,仿生蝸殼P1處壓力值標準差為73 468,標準蝸殼則為79 857；當采用仿生蝸殼時,其壓力幅值及平均值均比標準蝸殼小2倍有余.這說明采用仿生蝸殼時,P1、P9處壓力脈動較標準蝸殼更穩(wěn)定.由圖6(b)、(d)可知,不同蝸殼離心泵P1處主頻均為240.8 Hz,與葉片通過頻率241.7 Hz一致；采用仿生蝸殼時P1處主頻脈動幅值相對于標準蝸殼時降低了8.6%,在次主頻(481.7 Hz)處降低了10.3%,在3階主頻(963.4 Hz)處則降低了20.1%,在高頻處也相對低于標準蝸殼；P9處脈動幅值除了在主頻處稍低于標準蝸殼,高頻處基本高于標準蝸殼,但由于采用仿生蝸殼時,P9處壓力數(shù)值遠小于標準蝸殼,故其壓力脈動幅值的少許上升對該處流場或整個離心泵內流場的影響甚微.綜上所述,當采用仿生蝸殼時,可明顯改善其壓水室內壓力脈動特性.

4結論

(1)在不同時刻下,仿生蝸殼離心泵內流場更優(yōu)于標準蝸殼,尤其表現(xiàn)在擴散段及葉輪處,相對于標準蝸殼更不易出現(xiàn)漩渦及邊界層分離現(xiàn)象.

(2)在不同時刻下,仿生蝸殼擴散段入口處容易形成大漩渦,但沿著擴散段出流到出口處低速區(qū)逐漸減小,速度分布更加均勻,更利于流體流動,標準蝸殼擴散段在整個擴散段均表現(xiàn)為混亂分布的低速區(qū)及嚴重的邊界層分離現(xiàn)象,極大的影響流體出流.

(3)葉片掃過隔舌瞬間,流體在流經葉輪流道時,仿生蝸殼可以明顯改善蝸殼內流體的流動狀態(tài),且使葉輪內流場分布相對更為均勻、對稱.

(4)在同一周期內,當采用仿生蝸殼時,壓水室壓力脈動最大處P1處壓力值標準差降低了8.7%；壓力脈動最小處P9處壓力幅值及平均值均比標準蝸殼小2倍有余；當采用仿生蝸殼時，P1、P9處壓力脈動較標準蝸殼更穩(wěn)定.

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Analysis on unsteady flow characteristics in centrifugal pump with bionic volute

MOU Jie-gang1, LIU Jian1, GU Yun-qing1, DAI Dong-shun1,ZHENG Shui-hua1, WU Deng-hao2

(1.CollegeofMechanicalEngineering,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou310014,China;2.ZhijiangCollege,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou310024,China)

Abstract:To improve unsteady internal flow characteristics in centrifugal pump, bionic nonsmooth volute was built based on bionics principle, sliding mesh technology was applied for calculation of unsteady internal flow field in centrifugal pump with standard and bionic volute. Discrepancies for different volutes under different times in pressure and velocity field were investigated and pressure fluctuation characteristics in pumping chamber for different volutes. Results show that the distribution of static pressure and velocity in the diffuser for bionic volute under different times are more uniform, and its are less prone to vortek, secondary flow and boundary separation phenomenons comparing to standard volute. When blade approaches the tongue, the distribution of streamline in impeller is more symmetrical. Pulsating amplitude of max and mix pressure pulsation for bionic volute drops evidently over a period of time. In addition, the structure of bionic volute can improve unsteady internal flow, and restrain pulsating amplitude in pumping chamber obviously．

Key words:centrifugal pump; bionic volute; flow flied; unsteady flow; pulsating amplitude

收稿日期：2015-06-20.浙江大學學報(工學版)網址： www.journals.zju.edu.cn/eng

基金項目：國家自然科學基金資助項目(20140251);浙江省自然科學基金資助項目(LQ15E050005,LQ15E090004).

作者簡介：牟介剛(1964-),男,教授,博導,從事葉片泵流場理論及工程應用等研究. ORCID: 0000-0001-5242-4049. E-mail∶mjg1964@zjut.edu.cn通信聯(lián)系人：谷云慶,男,講師. ORCID: 0000-0003-1416-3452. E-mail:guyunqing@hrbeu.edu.cn

DOI:10.3785/j.issn.1008-973X.2016.05.016

中圖分類號：TB 17

文獻標志碼：A

文章編號：1008-973X(2016)05-0927-07