基于CFD分析的壁面粗糙度對(duì)軸流泵水力性能的影響研究

陳新華，楊曉紅，顧梅芳，孫鋒明

(1.江陰市南閘水利農(nóng)機(jī)服務(wù)站，江蘇 無(wú)錫 214431； 2.江陰市水利工程公司，江蘇 無(wú)錫 214431； 3.江陰市重點(diǎn)水利工程建設(shè)管理處，江蘇 無(wú)錫 214431； 4.江陰市璜土水利農(nóng)機(jī)管理服務(wù)站，江蘇 無(wú)錫 214431)

0 引 言

因水泵在設(shè)計(jì)時(shí)將壁面假設(shè)為無(wú)粗糙度的光滑壁面，而實(shí)際在水泵的加工制造以及使用中，壁面不可能保證絕對(duì)的光滑，粗糙壁面通過(guò)影響邊界層內(nèi)的流動(dòng)進(jìn)而影響到通道內(nèi)部的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，這樣就造成水泵的設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用中的差別。特別是軸流泵的三維空間曲面結(jié)構(gòu)，由于造型和加工上的困難，不可能保證絕對(duì)光滑，受沉積物粘附、材料本身銹蝕及空化氣蝕等的影響[1-3]，軸流泵性能會(huì)出現(xiàn)較大的下降。為了探討壁面粗糙度對(duì)軸流泵水力性能的影響規(guī)律，朱紅耕[4]、李龍[5]等通過(guò)對(duì)比計(jì)算不同粗糙度表面的軸流泵水力性能，發(fā)現(xiàn)同一流量工況下軸流泵的揚(yáng)程效率隨著粗糙度的增加而逐漸減小；高軍甲[6]對(duì)輸油離心泵葉輪進(jìn)行電解拋光后效率提高了5%；M. W. Jessica[7]的研究結(jié)果表明，當(dāng)葉片變粗糙時(shí)最大功率準(zhǔn)數(shù)會(huì)較潔凈表面時(shí)下降將近20%；BAI Tao[8]研究了表面粗糙度對(duì)渦輪機(jī)葉片空氣動(dòng)力學(xué)性能的影響；付飛[9]系統(tǒng)總結(jié)了近年來(lái)關(guān)于旋轉(zhuǎn)機(jī)械在表面粗糙度取得的研究進(jìn)展。

通過(guò)數(shù)值模擬和試驗(yàn)測(cè)試的方法，相關(guān)學(xué)者通過(guò)研究粗糙度對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械性能的研究取得了一些成果[10-15]，而對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)規(guī)律的影響研究卻很少。本文基于雷諾時(shí)均N-S方程，標(biāo)準(zhǔn)k-e湍流模型，對(duì)泵段進(jìn)行數(shù)值模擬研究，通過(guò)比較粗糙壁面內(nèi)外特性及流場(chǎng)的變化規(guī)律，揭示壁面粗糙度對(duì)泵裝置性能的影響規(guī)律。

1 幾何模型與邊界條件

本文研究對(duì)象為一標(biāo)準(zhǔn)軸流泵，葉輪室直徑D為300 mm，葉片旋轉(zhuǎn)與靜止葉輪室之間留有0.2 mm間隙[16]，葉片數(shù)為4，輪轂比為0.4，計(jì)算模型的進(jìn)口直徑為350 mm。在葉輪室前收縮與葉輪室相連，進(jìn)口截面距葉輪中心為8D，出口段包括60°彎頭段和出口延伸段，其中延伸段長(zhǎng)為8D，葉輪導(dǎo)葉間距為6 mm，葉輪轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 450 rpm，從水流方向看為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，葉輪導(dǎo)葉之間采用周向平均的方式處理旋轉(zhuǎn)葉輪出口與靜止導(dǎo)葉之間的數(shù)據(jù)傳遞。其他相關(guān)設(shè)置見表1。

表1 計(jì)算域的邊界條件設(shè)置

泵段的幾何模型見圖1，包括進(jìn)口延長(zhǎng)段、葉輪室、導(dǎo)葉室、60°彎管、出口延長(zhǎng)段。計(jì)算域網(wǎng)格見圖2。整個(gè)模型均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，各部分的網(wǎng)格數(shù)見表2。滿足網(wǎng)格無(wú)關(guān)性要求。葉輪導(dǎo)葉的網(wǎng)格在turbogrid中利用內(nèi)部包含的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)自動(dòng)生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，生成的僅為單通道計(jì)算域的網(wǎng)格，在后處理中經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)復(fù)制可以得到整個(gè)計(jì)算域的網(wǎng)格。進(jìn)水段分為直管段和收縮段兩部分組成，直管段直徑為350 mm，收縮段為直管段到葉輪進(jìn)口過(guò)渡。出口彎頭也同樣分為60°彎頭和出口延伸段。在ICEM中用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格完成。

圖1 計(jì)算域模型

圖2 計(jì)算域網(wǎng)格

表2 網(wǎng)格數(shù)匯總表

2 模擬結(jié)果對(duì)比

2.1 外特性對(duì)比

根據(jù)CFD模擬計(jì)算結(jié)果和軸流泵的性能計(jì)算公式，將不同粗糙度的計(jì)算結(jié)果外特性進(jìn)行整理，見圖3。

從圖3可知，在相同流量工況下，因粗糙壁面的影響，在流量保持不變的情況下，揚(yáng)程從6.07 m降低至5.18 m，效率從光滑壁面。管道內(nèi)部的雷諾數(shù)處于紊流區(qū)，很容易理解為壁面粗糙度的增加，水力損失增加，揚(yáng)程相對(duì)降低。因葉輪內(nèi)部的水力損失不僅僅由壁面引起，也由速度變化、能量轉(zhuǎn)化等引起，故粗糙度只是在原先的基礎(chǔ)上有所改變，而不能在本質(zhì)上改變軸流泵的性能。

圖3 不同壁面粗糙度影響下的泵段性能曲線

2.2 葉片表面壓力分布對(duì)比

葉片表面的壓力分布代表葉片的作功能力分布，軸功率的變化必然在壓力分布上表現(xiàn)出來(lái)，為此將光滑壁面方案和0.5 mm粗糙壁面方案的葉片表面壓力取出，整理成云圖，見圖4。同時(shí)因流體在葉片表面的流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生壁面切應(yīng)力，不同粗糙度引起的切向壓力大小差別較大，將葉片表面的切向壓力取出并整理，見圖5。

圖4 葉片表面壓力云圖分布

圖5 葉片表面切向壓力云圖分布

邊界設(shè)置成粗糙壁面之后，葉片表面的壓力無(wú)論是從壓力面還是從吸力面看均有所增加，主要是粗糙壁面相對(duì)光滑壁面在近壁區(qū)間過(guò)流能力大大減小。受近壁面阻流的影響，速度減小，是粗糙壁面的壓力相比光滑壁面的壓力較大的原因。在粗糙壁面的影響下，葉輪軸功率也隨之增加，在揚(yáng)程降低、軸功率增加的雙重影響下，由水泵的效率公式可知，最終的效率下降較快。

2.3 葉柵通道壓力云圖分布

為便于比較光滑和粗糙壁面葉輪通道內(nèi)部的壓力分布，將葉輪室輪轂和輪緣中間的葉柵截面取出，得到葉柵通道壓力云圖，見圖6。

圖6 葉輪室中間柱面壓力云圖分布

對(duì)比圖5可知，受壁面粗糙度的影響，壓力值整體有所增加，分布趨勢(shì)仍然相同。在葉片背面低壓區(qū)明顯可以看出，粗糙度影響壓力分布較高，對(duì)降低葉輪的氣蝕有非常有利的作用，與文獻(xiàn)[18]結(jié)論中粗糙度能夠降低葉片背面的磨損程度有相似的作用。

2.4 葉柵通道壓力分布

為了分析光滑和粗糙度壁面之間對(duì)葉片表面的壓力分布情況，將葉片表面的壓力分布沿著弦長(zhǎng)方向展開，見圖7。

圖7 葉片表面壓力分布

對(duì)比圖4可以發(fā)現(xiàn)，粗糙壁面的上表面壓力明顯低于光滑壁面的的壓力分布，是揚(yáng)程降低、效率降低的主要原因。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)針對(duì)軸流泵設(shè)置光滑壁面和粗糙度壁面，通過(guò)CFD仿真計(jì)算得到軸流泵在粗糙度影響下的性能差別，并通過(guò)壓力云圖對(duì)比分析葉片壓力面、吸力面及葉柵通道內(nèi)部的壓力分布，得到結(jié)論如下：

1) 壁面粗糙度通過(guò)影響邊界層內(nèi)的速度分布進(jìn)而影響軸流泵近壁面的壓力分布。

2) 壁面粗糙度通過(guò)降低軸流泵揚(yáng)程，增大軸功率，降低軸流泵的效率。