基于仿生翼型噴水推進(jìn)泵內(nèi)流場(chǎng)特性研究

蘇曉珍,宋 飛,解文辰,常海燕, 王 璐

(1.安徽建筑大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院, 合肥 230001; 2.合肥恒大江海泵業(yè)股份有限公司， 合肥 230001)

噴水推進(jìn)器是船舶、水下滑翔機(jī)等重要軍事設(shè)施的核心驅(qū)動(dòng)部件.噴水推進(jìn)器的噴射方式與普通螺旋槳不一樣，螺旋槳是通過(guò)噴出水流獲得能量，而噴水推進(jìn)是靠反作用力[1-2].在諸多推進(jìn)裝置中，噴水推進(jìn)裝置應(yīng)用最廣泛.但是噴水推進(jìn)泵一般為敞口軸流泵或混流泵，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中很難保證運(yùn)行工況與設(shè)計(jì)工況相同，進(jìn)而使效率指標(biāo)、噪音指標(biāo)等大幅度下降[3-4].因此，更新設(shè)計(jì)方法，優(yōu)化關(guān)鍵性幾何參數(shù)，保證噴水推進(jìn)泵在最高效率點(diǎn)運(yùn)行，這對(duì)其降噪、增效具有重要作用[5-6].

海洋生物和淡水生物中魚類(鼠尾鱈科、柴魚、劍旗魚等)外形可以看作為簡(jiǎn)單的翼型結(jié)構(gòu)，這對(duì)噴水推進(jìn)泵葉片設(shè)計(jì)及其性能優(yōu)化具有重要參考價(jià)值；另外，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)：魚類表面魚鰭具有減小水阻和減低噪音的功效，這也為噴水推進(jìn)泵水力設(shè)計(jì)及葉片表面處理提供豐富材料.文獻(xiàn)[7]中利用海豚皮膚構(gòu)造，設(shè)計(jì)了一種具有實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值的耦合仿生功能表面，將其應(yīng)用到離心式水泵的葉輪上，進(jìn)行水泵效率的試驗(yàn).通過(guò)分析得知，當(dāng)海豚快速游動(dòng)時(shí)，隨著阻力增加，海豚光滑表皮、具有彈性的皮下組織、纖維結(jié)節(jié)形成優(yōu)異的耦合狀態(tài)，這種耦合狀態(tài)可以有效地減小阻力[8-11].

本文用仿生學(xué)原理，開展噴水推進(jìn)泵內(nèi)部流場(chǎng)特性的研究，采用數(shù)值模擬和模型實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)基于仿生翼型設(shè)計(jì)的噴水推進(jìn)泵葉輪水動(dòng)力特性進(jìn)行研究，并與傳統(tǒng)的NACA4410和791翼型得到的葉輪進(jìn)行比較分析，探尋不同翼型下的內(nèi)部流場(chǎng)特性[12-13].

1 鱘魚翼型的建立

鱘魚的進(jìn)化歷史久遠(yuǎn)，億萬(wàn)年前就有其蹤跡，在日復(fù)一年的優(yōu)勝劣汰下鱘魚身體結(jié)構(gòu)已經(jīng)進(jìn)化到最適合水下活動(dòng)的狀態(tài)[14-15].本文利用鱘魚身體的外形曲線，設(shè)計(jì)基于鱘魚外形結(jié)構(gòu)的仿生翼型，并對(duì)魚嘴附近的仿生翼型骨線進(jìn)行局部調(diào)整，借助CFD技術(shù)分別對(duì)結(jié)構(gòu)下的仿生翼型進(jìn)行水動(dòng)力特性分析，以期獲得較為優(yōu)越的仿生翼型.

1.1 三維掃描

本文選擇了體型大小不同的三條鱘魚作為研究對(duì)象，為了得到鱘魚外結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)參數(shù)，采用先進(jìn)的3D激光掃描儀，通過(guò)非接觸式掃描準(zhǔn)確率可達(dá)到99.97%.利用缺氧技術(shù)使鱘魚自然死亡，外結(jié)構(gòu)不受損壞的情況下放在專用掃描平臺(tái)上，將伸展的鱘魚固定，并在其周圍放置好專用的采集數(shù)據(jù)貼片，如圖1所示.

本文利用Geomagic Design X逆向工程軟件技術(shù)，將掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入，數(shù)據(jù)處理后即可得到圖2的三維模型.

圖1 鱘魚掃描照片F(xiàn)igure 1 Sturgeon scanning photography

圖2 掃描以及處理后的鱘魚實(shí)際三維模型Figure 2 Actual 3D model of sturgeon after scanning and processing

1.2 翼型建立

鱘魚三維模型中還包含了自身的魚鰭和魚尾，為了建立翼型要獲其外形曲線.首先建立坐標(biāo)系，設(shè)定鱘魚吻突頂尖為坐標(biāo)O點(diǎn)，魚長(zhǎng)方向?yàn)樽鴺?biāo)系X軸，為了得到更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，將魚身等分為20等份取點(diǎn)如圖3所示，以O(shè)X軸為分界線把鱘魚分為上半部分和下半部分，上下部分各得到20組控制點(diǎn)坐標(biāo)，對(duì)40個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行無(wú)量綱化.

建立兩個(gè)坐標(biāo)，鱘魚上半部分設(shè)定成(xs,fu(xs))，下半部分設(shè)定成(xs,fl(xs))，f(x)為縱坐標(biāo)，最后，采用最小二乘法對(duì)無(wú)量綱控制點(diǎn)進(jìn)行擬合.無(wú)量綱化的變量之間的關(guān)系定義如下：

|fl(xd)|=fl(xi)/δmax

|fu(xd)|=fu(xi)/δmax

其中：fl(xi)為xi點(diǎn)處的翼型下骨線到翼型弦長(zhǎng)的坐標(biāo)，fu(xi)為xi點(diǎn)處的翼型上骨線到翼型弦長(zhǎng)的坐標(biāo)，δmax為翼型最大厚度.C為鱘魚模型的弦長(zhǎng).

圖3 鱘魚模型坐標(biāo)系及坐標(biāo)點(diǎn)Figure 3 Sturgeon model coordinate system and coordinate points

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 模型的建立

為了更好的比較仿生翼型在水力機(jī)械上的優(yōu)越性，本文在保證其他參數(shù)不變的基礎(chǔ)上改變?nèi)~輪葉片截面翼型幾何結(jié)構(gòu)，即保證噴水推進(jìn)泵葉片壓力面不變，葉片各截面分別采用仿生翼型(FSY翼型)、NACA4410翼型以及791翼型進(jìn)行加厚.其幾何結(jié)構(gòu)圖如圖4所示.

圖4 不同翼型結(jié)構(gòu)的噴水推進(jìn)泵葉輪Figure 4 Impeller of water jet propulsion pump with different airfoil structure

2.2 水力性能曲線比較

圖5為3種不同葉輪下噴水推進(jìn)泵水力性能，其中圖5(A)橫坐標(biāo)代表實(shí)際運(yùn)行流量和設(shè)計(jì)流量的比值，縱坐標(biāo)代表實(shí)際計(jì)算揚(yáng)程與設(shè)計(jì)揚(yáng)程的比值.從圖中可以看到，無(wú)論是流量揚(yáng)程-曲線還是流量-效率曲線，3種方案下外特性曲線變化趨勢(shì)相同.通過(guò)圖5(A)可以看出，葉片截面為仿生翼型(FSY)的方案下(為了便于表示簡(jiǎn)稱該方案為FSY方案)泵揚(yáng)程最高，約為設(shè)計(jì)揚(yáng)程的1.5倍.從葉片設(shè)計(jì)角度考慮，F(xiàn)SY方案下最優(yōu).

圖5(B)從流量效率角度出發(fā)，在設(shè)計(jì)工況下，葉片截面為FSY方案泵效率最高，NACA4410翼型的葉片方案(為了便于表示簡(jiǎn)稱該方案為NACA4410方案)效果次之，791方案效率最低.總體上來(lái)看，F(xiàn)SY方案泵高效區(qū)相對(duì)較寬，791方案和NACA4410變化趨勢(shì)相當(dāng).仿生翼型方案能夠獲得與NACA4410方案和791方案更優(yōu)的水力性能.

圖5 不同葉輪下泵外特性曲線Figure 5 Pump external characteristic curves with different impellers

2.3 泵內(nèi)部流動(dòng)特性分析

圖6是在Blade-to-Blade為0.5時(shí)，不同方案下噴水推進(jìn)泵在設(shè)計(jì)工況下，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)葉輪與導(dǎo)葉間的靜壓分布，整體上來(lái)看，3種方案下葉片壓力面靜壓分布相對(duì)較為均勻.然而在葉片吸力面附近均會(huì)出現(xiàn)局部低壓區(qū)，隨著方案的不同，該低壓區(qū)的大小和范圍將會(huì)發(fā)生很大的變化.通過(guò)查閱大量研究成果可以發(fā)現(xiàn)：噴水推進(jìn)泵葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生揚(yáng)程的根本原因是葉片壓力面與吸力面間的壓力差，且壓力差越大、所產(chǎn)生的升力就越大泵的揚(yáng)程就越高.

圖6 設(shè)計(jì)工況下穩(wěn)定條件下葉輪與導(dǎo)葉間的靜壓分布Figure 6 Static pressure distribution between impeller and guide vane under stable design condition

比較3種方案可以得到，F(xiàn)SY方案附著在葉片附近的低壓區(qū)最大，上壓力面與下吸力面壓差大；NACA4410方案低壓區(qū)附著在葉片表面的范圍較大；791翼型則會(huì)形成兩個(gè)局部低壓區(qū)，附著在葉片附近的范圍最大，但與FSY方案相比壓差略小，這也是FSY方案揚(yáng)程最高的根本原因.

在設(shè)計(jì)工況下，F(xiàn)SY方案湍流動(dòng)能發(fā)展相對(duì)較小，一般在葉片最大厚度附近湍流動(dòng)能開始發(fā)展，隨著葉片的旋轉(zhuǎn)，湍流動(dòng)能不斷向葉片出口發(fā)展；NACA4410和791方案均具有類似的變化規(guī)律，但是相比較于FSY方案，它們的湍流動(dòng)能區(qū)域較大，湍流動(dòng)能變化較為劇烈的點(diǎn)發(fā)生了后移(向葉片出口方向轉(zhuǎn)移).

圖7 不同方案不同工況下葉輪內(nèi)部湍動(dòng)能分布Figure 7 Distribution of turbulent kinetic energy inside impeller under different schemes and working conditions

圖8為不同方案下葉輪內(nèi)部速度矢量圖，從圖8中可以看出，葉片壓力面速度分布較為均勻，吸力面出現(xiàn)速度不均勻現(xiàn)象.在小流量工況下，吸力面進(jìn)口附近速度矢量較為混亂，且易出現(xiàn)回流現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)工況和大流量工況下速度矢量相對(duì)較為均勻.比較三種不同方案可以看出，F(xiàn)SY方案在葉片吸力面附近的存在小范圍的局部高速區(qū)，與其他方案相比速度矢量分布均勻，內(nèi)流場(chǎng)分布最為合理，這也是該方案下泵揚(yáng)程最高的因素之一.

圖8 不同方案下葉輪內(nèi)部速度矢量圖Figure 8 Velocity vector diagram inside impeller under different schemes

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證數(shù)值模擬的可靠性，本文試驗(yàn)在具有一級(jí)精度的閉環(huán)式工作臺(tái)上進(jìn)行如圖9所示，建立了實(shí)現(xiàn)仿生翼型水動(dòng)力特性測(cè)試和噴水推進(jìn)泵水力性能測(cè)試的小型水洞實(shí)驗(yàn)室，并以優(yōu)化后的三維仿生翼型為研究對(duì)象，對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試.基本試驗(yàn)裝置由HLT-131B型電機(jī)、HLT-138型扭矩儀、LDX186A1S2G2C51GP型壓力計(jì)、數(shù)顯式電磁流量計(jì)、D71X-16型進(jìn)口閥和出口閥組成.

圖9 實(shí)驗(yàn)裝置現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際圖Figure 9 Actual field diagram of the experimental device

圖10是泵水力性能的數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果的比較.從圖10中可以看到，計(jì)算結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)合變化趨勢(shì)相同，其中在設(shè)計(jì)工況下泵計(jì)算揚(yáng)程為0.415 m，與試驗(yàn)揚(yáng)程(0.40 m)相比，誤差為3.75%；計(jì)算效率為58.03%，與試驗(yàn)效率(55.32%)相比，誤差為4.90%，其他計(jì)算工況的計(jì)算精度均能滿足工程應(yīng)用的要求.

圖10 數(shù)值模擬和試驗(yàn)水力性能對(duì)比Figure 10 Comparison of hydraulic performance between numerical simulation and test

4 結(jié) 語(yǔ)

本文采用仿生技術(shù)，通過(guò)數(shù)值模擬和模型實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)仿生翼型設(shè)計(jì)的噴水推進(jìn)泵葉輪水動(dòng)力特性進(jìn)行研究，并與NACA4410和971翼型進(jìn)行比較分析，結(jié)果表明：

1)通過(guò)水力性能曲線可知，葉輪截面翼型為FSY翼型時(shí)，其揚(yáng)程最高，效率曲線與截面翼型為NACA4410和791翼型相比最優(yōu)，也就是說(shuō)，仿生翼型方案能夠獲得比NACA4410方案和791方案更優(yōu)水力性能.

2)從內(nèi)流場(chǎng)特性角度出發(fā)，F(xiàn)SY方案附著在葉片附近的低壓區(qū)最大，上壓力面與下吸力面壓差最大，效率最高；FSY方案湍流動(dòng)能發(fā)展相對(duì)穩(wěn)定，速度矢量分布最為均勻，能量損失最小.

3)仿生翼型模型葉輪實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相對(duì)誤差較小，滿足數(shù)值模擬計(jì)算誤差要求.結(jié)果說(shuō)明，本文仿真翼型葉輪的研究方法在噴水推進(jìn)泵模型優(yōu)化上具有一定的可行性和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.