翼型化葉頂對(duì)微型噴水推進(jìn)泵內(nèi)流場(chǎng)的影響

李 強(qiáng)，夏勝生

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，合肥 230009)

噴水推進(jìn)泵揚(yáng)程較低，一般采用軸流式葉片泵設(shè)計(jì)而成，主要是為水下滑翔機(jī)提供推力。由于葉片壓差作用，軸流式葉片泵在運(yùn)行時(shí)葉頂間隙區(qū)存在泄漏流動(dòng)，產(chǎn)生泄漏漩渦，導(dǎo)致空化、振動(dòng)及流動(dòng)穩(wěn)定等方面的負(fù)面影響[1-3]，因此有必要對(duì)其運(yùn)行過(guò)程葉頂泄漏流動(dòng)及漩渦分布和其流動(dòng)穩(wěn)定性進(jìn)行研究。軸流泵葉片葉頂一般與管壁平行，葉頂軸向截面形狀類(lèi)似于直線形或接近直線的弧形，在葉頂區(qū)域內(nèi)，葉片與葉頂截面形狀類(lèi)似于矩形形狀，形狀不似流線形，不利于流動(dòng)，導(dǎo)致葉頂處漩渦分布密集。楊軍虎等[4]對(duì)葉片工作面輪緣處進(jìn)行修圓處理，發(fā)現(xiàn)修圓有利于改善間隙流動(dòng)；Laborde等[5]通過(guò)改變不同葉頂形狀，研究葉頂間隙處漩渦結(jié)構(gòu)；施衛(wèi)東等[6]研究了3種切割葉頂形狀對(duì)軸流泵葉頂空化的影響，結(jié)果顯示，倒角和斜切葉頂方案能較好控制葉頂空化渦，可見(jiàn)不同葉頂形狀會(huì)導(dǎo)致軸流泵內(nèi)部流動(dòng)不同。

軸流泵在設(shè)計(jì)中通常采用翼型來(lái)繪制葉輪或?qū)~葉片，不同的翼型會(huì)導(dǎo)致葉片周?chē)鰷u分布不同，影響泵內(nèi)部流動(dòng)穩(wěn)定。許多學(xué)者對(duì)葉片翼型優(yōu)化展開(kāi)研究，使葉片表面阻力更小，流動(dòng)更穩(wěn)定，張宇等[7]對(duì)葉片進(jìn)行多參數(shù)優(yōu)化，通過(guò)改進(jìn)型線有效控制出口位置漩渦；施衛(wèi)東等[8]通過(guò)修改后掠式葉輪的后掠角，優(yōu)化顆粒分布，減少葉片磨損；潘強(qiáng)等[9]通過(guò)優(yōu)化軸流泵葉片，使改進(jìn)的魚(yú)友好型軸流泵可以降低魚(yú)類(lèi)死亡率。可以看出優(yōu)化葉片形狀可以改進(jìn)軸流泵內(nèi)部流動(dòng)。目前國(guó)內(nèi)外研究主要集中在葉輪葉片形狀的改進(jìn)，對(duì)軸流泵葉頂區(qū)域的研究也大都集中在分析間隙處流動(dòng)特性[10-14]，而對(duì)于葉頂形狀的研究相對(duì)較少，因此開(kāi)展對(duì)葉頂形狀改進(jìn)的研究很有必要。

本文以微型(揚(yáng)程低于1 m)噴水推進(jìn)泵為研究對(duì)象，參考國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)葉片形狀改進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)，選用有利于流動(dòng)穩(wěn)定的翼型形狀，對(duì)葉頂進(jìn)行翼型化研究，采用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)比分析3種翼型化葉頂(尖峰型、均勻型、S型)及原始葉頂在不同間隙尺寸下的內(nèi)流場(chǎng)分布區(qū)別及優(yōu)勢(shì)，得出翼型化葉頂在噴水推進(jìn)泵設(shè)備中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，為葉頂區(qū)域流態(tài)分布的改善及葉頂形狀研究提供新的思路。

1 數(shù)值模擬

1.1 幾何模型參數(shù)及計(jì)算域

基本設(shè)計(jì)參數(shù)：流量Q為40 m3/h，揚(yáng)程H為0.5 m，轉(zhuǎn)速n為1 000 r/min，比轉(zhuǎn)速ns為647，葉輪直徑D為112 mm，輪轂比dh/D為0.5，葉輪葉片數(shù)zy為4，導(dǎo)葉葉片數(shù)zg為7。取管道進(jìn)口到管道出口作為數(shù)值模擬的計(jì)算域，包括進(jìn)水段、葉輪段、導(dǎo)葉段及出水段等4個(gè)區(qū)域。采用三維建模軟件Creo繪制噴水推進(jìn)泵幾何模型，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 模型泵三維圖形

1.2 設(shè)計(jì)方案

傳統(tǒng)噴水推進(jìn)泵葉片葉頂通常平行于管壁，葉頂截面形狀接近直線型，葉頂與葉片截面形狀類(lèi)似矩形形狀，見(jiàn)圖2(d)。本文在原始葉頂?shù)幕A(chǔ)上，分別采用3種不同類(lèi)型的翼型形狀代替原始葉頂截面形狀，3種翼型類(lèi)型分別為最高點(diǎn)向首端偏的形似尖峰的翼型類(lèi)型、最高點(diǎn)在中間位置形似拋物線的翼型類(lèi)型以及形似S形狀的翼型類(lèi)型，然后對(duì)所述翼型選擇代表性翼型。為減少其他因素干擾，保持選擇翼型的厚度相同。3種類(lèi)型翼型分別?。篘ACA4412翼型、791翼型及l(fā)iss7769翼型，翼型最大厚度均為其弦長(zhǎng)的10%。本文試驗(yàn)只取翼型吸力面的翼型曲線，翼型形狀見(jiàn)圖3。3種翼型葉頂形狀方案分別記為尖峰型(Peak Shape，PS)、均勻型(Uniform Shape，US)及S型(S Shape，SS)噴水推進(jìn)泵，原始葉頂方案記為基礎(chǔ)型(Basic Shape，BS)。

為全面分析翼型化葉頂對(duì)噴水推進(jìn)泵內(nèi)流場(chǎng)的影響，取3組不同葉頂間隙尺寸，通過(guò)調(diào)整葉頂與管道內(nèi)壁的間隙，構(gòu)造3種不同間隙葉輪段的模型，根據(jù)文獻(xiàn)[11,12]選取間隙尺寸比δ分別為0.5倍、0.75倍及1.0倍輪緣處翼型截面最大厚度T。δ的公式為：

δ=C/T

(1)

式中：δ為間隙尺寸比；T為翼型化葉頂截面最大厚度；C為翼型化葉頂?shù)焦鼙谧疃叹嚯x，見(jiàn)圖2(b)，為與翼型化方案形成對(duì)比，原始方案的間隙大小等于翼型化葉頂?shù)焦鼙谧疃叹嚯xC。

圖2 4種葉頂形狀

圖3 3種翼型形狀

1.3 邊界條件

采用ANSYS CFX仿真軟件對(duì)噴水推進(jìn)泵內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算域進(jìn)口設(shè)置為進(jìn)水段的進(jìn)水管口，進(jìn)口邊界條件設(shè)置為壓力進(jìn)口；計(jì)算域出口設(shè)置為出水段的出水管口，出口邊界設(shè)置為質(zhì)量流量出口。葉輪段為旋轉(zhuǎn)域，其他區(qū)域?yàn)殪o止域，葉輪壁面旋轉(zhuǎn)速度設(shè)為0，其余壁面采用無(wú)滑移邊界條件，采用SSTk-ω模型作為湍流模型，葉輪與進(jìn)口、葉輪與導(dǎo)葉的動(dòng)靜交界面采Frozen Rotor模式，其他交界面采用None模式，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的匹配方式采用GGI模式。

1.4 網(wǎng)格劃分

采用軟件ANSYS ICEM 進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于噴水推進(jìn)泵葉輪葉頂部位幾何復(fù)雜，葉輪段采用適應(yīng)性強(qiáng)的四面體網(wǎng)格劃分，并對(duì)葉片葉頂間隙區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加密，結(jié)果見(jiàn)圖4(a)。其 余計(jì)算域采用六面體網(wǎng)格劃分，增加計(jì)算域網(wǎng)格精度，其中導(dǎo)葉輪轂和輪緣處采用O型結(jié)構(gòu)，所有網(wǎng)格質(zhì)量保持在0.4以上，見(jiàn)圖4(b)。

圖4 模型水體網(wǎng)格

采用3組網(wǎng)格方案對(duì)噴水推進(jìn)泵在額定工況下的數(shù)值模擬進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析，選擇網(wǎng)格總數(shù)分別為127.5、159.5和221.5 萬(wàn)個(gè)。通過(guò)對(duì)所預(yù)測(cè)的泵揚(yáng)程值進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)表1。噴水推進(jìn)泵總網(wǎng)格數(shù)增加到150 萬(wàn)個(gè)時(shí)，揚(yáng)程逐漸趨于穩(wěn)定，網(wǎng)格數(shù)達(dá)到方案2水平時(shí)，模擬所得泵的揚(yáng)程、效率的誤差分別小于0.5%和0.3%。本文中為了提高收斂速度，選擇方案2的網(wǎng)格劃分方式進(jìn)行數(shù)值模擬。

表1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

2.1 外特性對(duì)比

取噴水推進(jìn)泵葉輪流道為研究對(duì)象，對(duì)在不同間隙及不同葉頂行政情況下的共12組方案作外特性分析，計(jì)算不同流量工況下的揚(yáng)程與流量、效率與流量特性，見(jiàn)圖5。

由圖5可以看出，葉頂采用不同翼型化，在不同間隙尺寸下，泵的揚(yáng)程和效率均有所改變。隨著間隙尺寸的減小，4種方案的揚(yáng)程和效率逐漸增加。3種翼型化方案的揚(yáng)程和效率均低于未做修改的BS方案，但隨著間隙尺寸增大，差距逐漸減小，在達(dá)到間隙尺寸比δ為1.0時(shí)，3種翼型化方案的揚(yáng)程和效率與未作修改的基礎(chǔ)方案差距最小，額定流量下，對(duì)于US方案3種間隙下?lián)P程差分別為0.031 3、0.031 2、0.027 1 m。在3種翼型化方案中，US方案的揚(yáng)程和效率在3種方案中最低，在額定流量下δ為0.5、0.75、1.0時(shí)分別比3種翼型中最高揚(yáng)程低0.89%、0.76%、1.16%，差距甚微，其中δ為0.5時(shí)PS方案的揚(yáng)程和效率最高，δ為0.75及δ為1.0時(shí)SS方案的揚(yáng)程和效率最高。

圖5 不同方案的外特性曲線

由于翼型化葉頂相當(dāng)于切除了原始葉頂?shù)那熬壓秃缶墸g接增大了葉頂平均間隙，同時(shí)由于揚(yáng)程和效率隨著間隙增大而減小，導(dǎo)致翼型化葉頂方案的外特性比基礎(chǔ)葉頂方案差。下文對(duì)內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行分析，研究翼型化葉頂是否有利于泵內(nèi)部流動(dòng)。

2.2 內(nèi)部流場(chǎng)分析

(1) 葉頂及背面渦量分析。由于3種方案在不同間隙下的內(nèi)部渦量流動(dòng)情況相近，本文僅對(duì)現(xiàn)象最明顯的一種間隙尺寸的內(nèi)部渦量進(jìn)行分析。取0.5倍間隙尺寸比情況下，以穿過(guò)葉片弦長(zhǎng)中間位置的軸截面為研究對(duì)象，比較4種方案在額定工況下的間隙處的平面渦量，結(jié)果見(jiàn)圖6。圖6中方向垂直平面向外為正。噴水推進(jìn)泵葉頂漩渦流主要包括在工作面的角渦以及背面的泄漏渦和脫離渦[8]，由圖6(a)到6(d)可以明顯看出3種翼型化方案泄漏渦范圍和大小明顯減小，US方案中甚至難以觀察出葉片背面的脫離渦，PS方案和SS方案的泄漏渦范圍比US方案略大；PS及US方案的脫離渦相比BS方案變化不大，但US方案對(duì)脫離渦有明顯改善效果，圖中幾乎沒(méi)有大于853 s-1的脫離渦渦量。由于翼型化葉頂三維建模較復(fù)雜，葉頂壓力面的截面翼型形狀難以平滑過(guò)渡，存在尖角，導(dǎo)致在圖中工作面3種翼型化方案都有不同程度的角渦。綜上所述，即使從本文方案中無(wú)法觀察出消除角渦的現(xiàn)象，但是泄漏渦的改進(jìn)十分明顯，其中US方案還改善了脫離渦。

圖6 4組方案平面渦量圖

(2) 葉輪出水端速度分析。對(duì)葉輪出水端局部速度云圖進(jìn)行分析，見(jiàn)圖7，4組圖中從左到右間隙尺寸比δ依次為0.5、0.75、1.0。由圖7可見(jiàn)，隨著間隙尺寸的增大，葉輪出水端速度逐漸降低。在3種間隙下，BS方案從輪轂到輪緣處的速度變化均較大，輪緣處大于3.9 m/s的高速區(qū)域范圍明顯較大，流動(dòng)不穩(wěn)定。相比BS方案，3種翼型化方案葉輪輪緣處高速區(qū)域范圍明顯偏小，速度分布更為合理，葉輪出水?dāng)嗝媪鲃?dòng)更穩(wěn)定。3組翼型化方案中，SS方案在3組間隙下，高速區(qū)面積均最小，流動(dòng)穩(wěn)定性最佳，US與PS方案的速度分布相似，US方案在間隙δ為1.0時(shí)輪緣處高速區(qū)面積略小于PS方案?？梢?jiàn)翼型化方案均可以改善葉輪出水端的流動(dòng)，使流動(dòng)更加穩(wěn)定。3種翼型化方案的速度分布相似，且變化程度均小于BS方案，其中SS方案的速度高速區(qū)域范圍最小。

(3) 葉輪葉片間壓力分析。對(duì)葉輪葉片間局部壓力分布云圖進(jìn)行分析，見(jiàn)圖8，其中span為0.8，圖8中4組從左到右間 隙尺寸比δ依次為0.5、0.75、1.0。由圖8可見(jiàn)，在3組間隙下，葉輪葉片進(jìn)水端壓力均較其他位置處大，進(jìn)水端存在明顯高壓區(qū)域；隨著間隙的增大，葉片進(jìn)水端處的壓力逐漸減小，葉片背面壓力也呈減小趨勢(shì)。同時(shí)BS方案進(jìn)水端高壓區(qū)域面積始終比3種翼型化方案大，在葉片進(jìn)口位置會(huì)產(chǎn)生明顯的漩渦；在3組翼型化方案中，3組方案壓力云圖分布相似，其中SS方案進(jìn)水端高壓區(qū)范圍最小，改進(jìn)效果最佳。PS方案和US方案壓力云圖效果相似?？梢?jiàn)，翼型化方案可以有效減少葉輪進(jìn)水端高壓區(qū)域，減少進(jìn)水端產(chǎn)生的漩渦，使流動(dòng)更平穩(wěn)。

圖7 4種方案葉輪出水端局部速度分布云圖

圖8 4種方案葉輪葉片間局部壓力分布云圖

由內(nèi)流場(chǎng)分析發(fā)現(xiàn)，翼型化葉頂形狀是適合流動(dòng)的形狀，改善了葉頂?shù)牧鲃?dòng)環(huán)境，致使翼型化葉頂?shù)牧鲃?dòng)特性?xún)?yōu)于原始葉頂。

2.3 數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖9。實(shí)驗(yàn)裝置主要由試驗(yàn)泵、水箱、管道、壓力表、流量計(jì)、閘閥、輔助離心泵等組成。本文的實(shí)驗(yàn)采用立式試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)泵位于3位置，泵運(yùn)行后做功將水輸送入下方管道，但由于試驗(yàn)泵揚(yáng)程低做功較小，水流難以在管道形成循環(huán)，故在7位置增加輔助泵使水流得以循環(huán)流動(dòng)。

圖9 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖10 噴水推進(jìn)泵實(shí)驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算曲線對(duì)比圖

在額定工況下，模擬計(jì)算均勻型噴水推進(jìn)泵全流場(chǎng)的流動(dòng)特性，將數(shù)值模擬得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，結(jié)果見(jiàn)圖10。在額定工況點(diǎn)附近2者曲線基本相近，計(jì)算所得水力性能值優(yōu)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由于實(shí)際試驗(yàn)中存在裝置泄漏、水流不穩(wěn)定、其他阻力干擾、測(cè)量中讀數(shù)的誤差等外在因素，并且由揚(yáng)程計(jì)算公式：

(2)

可以看出，由于噴水推進(jìn)泵揚(yáng)程微小，導(dǎo)致其速度水頭的影響比壓力水頭大，同時(shí)輔助泵運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的推力會(huì)影響水流流動(dòng)，導(dǎo)致?lián)P程和效率在小流量及大流量情況下會(huì)有所偏離。許多學(xué)者針對(duì)微揚(yáng)程及低揚(yáng)程作過(guò)實(shí)驗(yàn)研究[15,16]，其實(shí)驗(yàn)與仿真誤差甚至大于10%～20%。本實(shí)驗(yàn)在額定工況下，仿真效率、揚(yáng)程與實(shí)驗(yàn)值之間的誤差均保持在3%以?xún)?nèi)，說(shuō)明仿真模型在額定工況點(diǎn)及其附近比較準(zhǔn)確的模擬了噴水推進(jìn)泵的內(nèi)部流動(dòng)，結(jié)果是可靠的。

3 結(jié) 論

(1)翼型化葉頂在外特性方面有所欠缺，但由于翼型表面有利于流體流動(dòng)，因此翼型化葉頂噴水推進(jìn)泵的內(nèi)流場(chǎng)分布均勻合理，流動(dòng)穩(wěn)定。

(2)3種翼型化方案均改善葉輪葉頂區(qū)域的漩渦，其中均勻型方案改善情況最佳，且均使葉輪出水端速度布局更合理，均使葉輪進(jìn)水端高壓區(qū)減小，改善壓力及速度方面S型方案最佳。

(3)隨著間隙增大，揚(yáng)程和效率逐漸減低，葉輪處速度降低、壓力減小，但翼型化方案內(nèi)流場(chǎng)分布始終比原始方案穩(wěn)定，可見(jiàn)翼型化方案有利于改進(jìn)微型噴水推進(jìn)泵內(nèi)部流動(dòng)，推薦在設(shè)計(jì)時(shí)采用翼型化葉頂。根據(jù)本文經(jīng)驗(yàn)，采用均勻型翼型，能使渦量布局最合理，采用S型翼型，能使壓力及速度分布最合理。

□

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