離心泵仿生微結(jié)構(gòu)葉片減阻特性的仿真研究

黃明吉，劉圣艷，喬小溪，陳平，劉中海，張曉昊

摩擦磨損與潤(rùn)滑

離心泵仿生微結(jié)構(gòu)葉片減阻特性的仿真研究

黃明吉1，劉圣艷1，喬小溪1，陳平1，劉中海2，張曉昊3

（1.北京科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，北京 100083；2.長(zhǎng)沙迪沃機(jī)械科技有限公司，長(zhǎng)沙 410205；3.清華大學(xué)天津高端裝備研究院，天津 300300）

通過(guò)在離心泵葉片表面布置仿生微結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)離心泵的減阻，并獲得仿生微結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。研究利用仿真模擬的方法，采用離心泵的扭矩變化對(duì)其減阻性能進(jìn)行表征，考慮了仿生微結(jié)構(gòu)的形態(tài)、截面形狀和特征高度等結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響規(guī)律，通過(guò)分析葉片表面的湍流動(dòng)能、剪切應(yīng)力和近壁面層的速度云圖揭示仿生微結(jié)構(gòu)對(duì)離心泵減阻特性的影響機(jī)理。在3種微結(jié)構(gòu)形態(tài)中，流向溝槽的減阻效果最好；在3種截面形狀的微結(jié)構(gòu)中，矩形截面的減阻效果最好；離心泵減阻率并非隨微結(jié)構(gòu)特征尺寸單調(diào)變化，而是存在最優(yōu)值；所有微結(jié)構(gòu)的減阻率均隨著流量的增加而增加。當(dāng)葉片表面布置流向、矩形溝槽時(shí)離心泵具有最優(yōu)的減阻效果，且在全流量工況范圍流向矩形溝槽結(jié)構(gòu)的最大減阻率為8.39%。葉片表面微結(jié)構(gòu)的布置可以實(shí)現(xiàn)離心泵減阻，其減阻機(jī)理與近壁面流體流動(dòng)行為有關(guān)。表面微結(jié)構(gòu)可有效降低葉片壁面的速度梯度，使速度沿壁面法線方向過(guò)渡更加均勻，且微結(jié)構(gòu)內(nèi)部低速流體層可有效控制和減弱近壁面區(qū)的湍動(dòng)程度，減少湍流動(dòng)能損耗；同時(shí)微溝槽內(nèi)的反向渦流具有類(lèi)“滾動(dòng)軸承”作用，將滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)換為滾動(dòng)摩擦，降低摩擦阻力。

離心泵；仿生微結(jié)構(gòu)；減阻；湍流動(dòng)能；數(shù)值模擬

我國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)[1-2]，煤炭的開(kāi)發(fā)和利用推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，但煤礦礦床的水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，礦井水災(zāi)的發(fā)生不僅影響正常生產(chǎn)，還會(huì)威脅工人人身安全，泵作為一種排水設(shè)備在處理煤礦透水事故中發(fā)揮著積極作用。然而泵的耗電量很大[3]，能源利用效率較低，泵在運(yùn)行過(guò)程中存在機(jī)械損失以及摩擦和沖擊等引起的水力損失，其中流體流經(jīng)葉輪等過(guò)流部件時(shí)，由于摩擦引起的水力損失尤為嚴(yán)重[4-5]。降低離心泵內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)阻力，不僅可節(jié)約能源、提高泵運(yùn)行的穩(wěn)定性，也可降低流動(dòng)誘導(dǎo)的噪聲。因此，離心泵減阻特性的研究極其重要。

根據(jù)是否需要外部輔助設(shè)備和額外能量的輸入，減阻可分為主動(dòng)控制減阻和被動(dòng)控制減阻。被動(dòng)控制減阻方法由于成本較低，符合節(jié)能的目標(biāo)，在實(shí)際應(yīng)用中更廣泛[6-8]，主要包括疏水表面減阻、聚合物添加劑減阻、柔性壁面減阻和非光滑表面減阻等，其中非光滑表面被認(rèn)為是被動(dòng)減阻中最具有潛力的方法。非光滑表面減阻法是受自然界生物的啟發(fā)[8-16]，例如荷葉、鯊魚(yú)皮表面[8-12]等，通過(guò)在流道壁面加工肋條、溝槽、凹坑或者凸起等仿生微結(jié)構(gòu)，來(lái)改變近壁面流動(dòng)狀態(tài)，重塑湍流邊界層擬序結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)減阻的目的。研究發(fā)現(xiàn)，鯊魚(yú)在水中快速游動(dòng)與其多結(jié)構(gòu)的皮膚密切關(guān)系，其皮膚表面具有沿著流向的類(lèi)溝槽有序排列的微小結(jié)構(gòu)，即膚齒。早在1982年，Walsh等[8]首次發(fā)表了將鯊魚(yú)表皮的微結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為不同形狀溝槽進(jìn)行減阻的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，溝槽結(jié)構(gòu)能有效地降低壁面摩擦阻力，且減阻效果與溝槽的尺寸和形狀密切相關(guān)。

宋保維等[17]數(shù)值模擬研究了棋盤(pán)狀微結(jié)構(gòu)疏水表面在湍流狀態(tài)下的減阻特性，結(jié)果顯示，在低雷諾數(shù)下，微結(jié)構(gòu)內(nèi)氣體封存狀態(tài)良好，減阻率最高約為30%。李山等[18]對(duì)光滑壁面和溝槽壁面的湍流邊界層流場(chǎng)通過(guò)TR-PIV技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，溝槽降低了壁面摩擦阻力，并且正弦波溝槽的減阻率更大。受鯊魚(yú)表皮微溝槽結(jié)構(gòu)啟發(fā)，Martin等[19]研究了刀刃形、鋸齒形和扇貝形3種形狀肋條對(duì)流場(chǎng)中平均阻力變化和渦旋結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明，刀刃形的最大減阻可達(dá)11.6%。Chen等[20]仿真研究了航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片表面布置微結(jié)構(gòu)的形狀的影響，結(jié)果顯示，微結(jié)構(gòu)葉片表面可明顯降低壓力損失，且三角形織構(gòu)葉片表面的壓力損失較小。Mele等[21]通過(guò)CFD仿真研究了肋條結(jié)構(gòu)對(duì)渦輪螺旋槳飛機(jī)周?chē)臍饬鲃?dòng)力學(xué)的影響，結(jié)果顯示，在巡航狀態(tài)下，肋條結(jié)構(gòu)的布置可實(shí)現(xiàn)阻力降低13%。

對(duì)于表面仿生微結(jié)構(gòu)的減阻機(jī)理，目前主要存在“第二渦群”、“突出高度”和“微型空氣軸承”等3種理論。“第二渦群”理論認(rèn)為反向旋轉(zhuǎn)的流向渦與溝槽尖頂區(qū)域相互作用可產(chǎn)生小的二次渦，溝槽表面的小肋尖峰能夠加速和增強(qiáng)“第二渦群”的發(fā)展，使得低速條帶向外猝發(fā)隨機(jī)渦的幾率減小且程度減弱，使邊界層附近的動(dòng)量交換減弱，邊界層流體穩(wěn)定性提高，進(jìn)而使近壁面邊界層附近黏性阻力降低?！巴怀龈叨取崩碚撜J(rèn)為在“突出高度”以下溝槽內(nèi)的流動(dòng)，絕大部分為黏性所阻滯，相當(dāng)于增加了黏性底層的有效厚度[22]，降低了壁面平均速度梯度，從而減小了表面摩擦阻力。潘家正從邊界層渦結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)出發(fā)，提出了邊界層底部“微型空氣軸承”的概念。溝槽內(nèi)形成的“小渦”被溝槽擋住后，滯留在微小溝槽內(nèi)部，充當(dāng)微型空氣軸承[23]，把空氣與運(yùn)動(dòng)物體的滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，從而實(shí)現(xiàn)減阻效果。

非光滑表面減阻技術(shù)在流體減阻應(yīng)用中具有廣闊的發(fā)展前景，然而將非光滑表面減阻技術(shù)應(yīng)用到復(fù)雜旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械離心泵中的研究還比較缺乏。本文以高轉(zhuǎn)速、高揚(yáng)程離心泵為研究對(duì)象，將表面微結(jié)構(gòu)引入到離心泵葉輪葉片表面，通過(guò)數(shù)值模擬方法，研究不同形態(tài)、形狀及尺寸的微結(jié)構(gòu)對(duì)泵的減阻性能的影響規(guī)律，為泵的減阻設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

2 數(shù)值模擬

2.1 幾何模型

離心泵的基本設(shè)計(jì)參數(shù)：流量=240 m3/h，揚(yáng)程=120 m，轉(zhuǎn)速=3 600 r/min，葉輪進(jìn)口圓環(huán)截面的外圓直徑j(luò)=132 mm，內(nèi)圓直徑為h=60 mm，葉輪出口直徑2=258 mm，葉片數(shù)=6。利用CFturbo軟件建立如圖1a所示的離心泵流場(chǎng)計(jì)算域模型（未顯示進(jìn)出水管部分）。離心泵過(guò)流部件主要包括葉輪、蝸殼、進(jìn)水管和出水管4個(gè)部分。為了避免進(jìn)出口效應(yīng)的影響，更準(zhǔn)確地模擬離心泵的內(nèi)部流場(chǎng)，幾何模型設(shè)置進(jìn)水管的長(zhǎng)度為葉輪進(jìn)口直徑的3倍（198 mm），出水管的長(zhǎng)度為蝸殼出口直徑的6倍（630 mm）。

圖1 離心泵計(jì)算域模型（a），微結(jié)構(gòu)布置位置（b）和形狀（c），以及橫向肋條（d）、橫向溝槽（e）和流向溝槽（f）3種形態(tài)

2.2 網(wǎng)格劃分及無(wú)關(guān)化驗(yàn)證

離心泵過(guò)流部件為復(fù)雜的三維曲面，葉輪和蝸殼選擇四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，進(jìn)水管和出水管為圓柱體結(jié)構(gòu)，選擇六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并對(duì)葉片表面微結(jié)構(gòu)處的網(wǎng)格進(jìn)行局部細(xì)化加密，具體葉輪流體域的網(wǎng)格劃分如圖2a所示。為保證仿真計(jì)算的效率和準(zhǔn)確性，對(duì)光滑模型泵進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，本文選定5組不同的網(wǎng)格數(shù)量，并監(jiān)測(cè)其對(duì)泵的揚(yáng)程和效率變化，結(jié)果如圖2b所示。結(jié)果顯示，泵的揚(yáng)程隨網(wǎng)格數(shù)的增加在一定范圍內(nèi)小幅度波動(dòng)，且與理論設(shè)計(jì)值120 m的相對(duì)誤差均在1%以?xún)?nèi)；泵的效率隨網(wǎng)格數(shù)量的增加而逐漸增加，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)達(dá)到100萬(wàn)后，效率趨于穩(wěn)定值，并接近理論計(jì)算效率的76%。因此在本文的數(shù)值計(jì)算中，選擇離心泵模型的網(wǎng)格數(shù)量約為100萬(wàn)。

圖2 葉輪流體域網(wǎng)格劃分（a）和無(wú)關(guān)化驗(yàn)證（b）

2.3 湍流模型和邊界條件

離心泵內(nèi)部流體為復(fù)雜的三維湍流流動(dòng)[25]，存在不同程度的回流、漩渦和脫流等現(xiàn)象，因此仿真采用適應(yīng)性更強(qiáng)的RNG-湍流模型。該模型考慮了平均流動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，在強(qiáng)旋流動(dòng)的計(jì)算中具有較高的精度，能夠同時(shí)滿(mǎn)足高計(jì)算精度和短計(jì)算時(shí)間的要求。同時(shí)壁面函數(shù)設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)（Standard Wall Functions），葉片表面未考慮壁面粗糙度的影響。

離心泵計(jì)算域包括旋轉(zhuǎn)域和靜止域，其中葉輪為旋轉(zhuǎn)域，葉輪轉(zhuǎn)速為3 600 r/min，繞軸旋轉(zhuǎn)方向由右手定則確定，葉輪前后蓋板及葉片與流體接觸面設(shè)置為旋轉(zhuǎn)壁面。進(jìn)口段、蝸殼和出水段為靜止域，進(jìn)出口壁面及蝸殼壁面設(shè)置為靜止壁面。

2.4 性能表征參數(shù)

離心泵通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸來(lái)驅(qū)動(dòng)葉輪，流體從葉輪流入后沿葉片輪廓流向出口。在內(nèi)部流動(dòng)時(shí)，葉片表面受到的阻力有近壁面區(qū)域的摩擦阻力和前后壁面引起的壓差阻力，綜合考慮2種阻力因素的影響，最終以葉輪的扭矩表現(xiàn)出來(lái)。因此，本文將葉輪所受扭矩的變化作為仿生微結(jié)構(gòu)葉片減阻效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其減阻率計(jì)算公式為：

表1 入口邊界參數(shù)

Tab.1 The inlet boundary conditions

3 結(jié)果與討論

3.1 仿生微結(jié)構(gòu)形態(tài)和截面形狀的影響

首先研究了不同流量工況下，橫向溝槽、橫向肋條和流向溝槽3種微結(jié)構(gòu)形態(tài)，以及三角形、半圓形和矩形3種微結(jié)構(gòu)截面形狀對(duì)離心泵減阻性能的影響規(guī)律。其中微結(jié)構(gòu)的特征寬度為1.0 mm，特征高度為0.5 mm，相鄰微結(jié)構(gòu)的間距均為1 mm，具體仿真參數(shù)如表2所示，仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。

由圖3結(jié)果可知，針對(duì)不同截面形狀的微結(jié)構(gòu)，在葉片表面布置流向溝槽的減阻率最高，其次為橫向溝槽，橫向肋條的減阻率最低。同時(shí)，針對(duì)不同形態(tài)、截面形狀微結(jié)構(gòu)葉片，離心泵的減阻效果隨著流量的增加而逐漸增加。葉片設(shè)置有流向溝槽的離心泵在全工況范圍內(nèi)均顯示出減阻效果，當(dāng)流量為1.0時(shí)，矩形流向溝槽結(jié)構(gòu)的離心泵的減阻率最大達(dá)3.7%。在全工況范圍來(lái)看，在葉片表面布置矩形流向溝槽結(jié)構(gòu)時(shí)的減阻率最大為8.39%；而橫向溝槽和橫向肋條結(jié)構(gòu)，在小流量時(shí)甚至表現(xiàn)為增阻效果，僅在大流量范圍內(nèi)才具有減阻作用，但橫向矩形溝槽在全工況范圍內(nèi)均表現(xiàn)為減阻效果。

表2 仿生微結(jié)構(gòu)形態(tài)和形狀影響研究模型的參數(shù)

Tab.2 Bionic microstructures with different arrangements and shapes

根據(jù)圖3結(jié)果可知，橫向溝槽和流向溝槽具有較好的減阻效果，因此進(jìn)一步將圖3的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到了橫向溝槽和流向溝槽2種微結(jié)構(gòu)形態(tài)下，微結(jié)構(gòu)形狀對(duì)減阻特性的影響規(guī)律，如圖4所示。結(jié)果顯示，在全工況范圍，在葉片表面布置矩形微結(jié)構(gòu)時(shí)減阻效果最好，三角形微結(jié)構(gòu)次之，半圓形微結(jié)構(gòu)的減阻效果相對(duì)較差；針對(duì)流向溝槽微結(jié)構(gòu)，3種形狀的微結(jié)構(gòu)均可在全工況范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)減阻，且微結(jié)構(gòu)的形狀對(duì)減阻率的影響程度隨流量的增加而增加；針對(duì)橫向溝槽，三角形和半圓形在較小流量0.6時(shí)為增阻，其余流量情況均為減阻，且減阻率隨流量的增加而增加。

綜上所述，針對(duì)所研究的微結(jié)構(gòu)形狀和形態(tài)，不同形狀的流向溝槽在全流量工況范圍內(nèi)均有一定的減阻效果，且流向矩形溝槽具有最好的減阻率；橫向肋條微結(jié)構(gòu)的減阻效果最差，甚至在小流量范圍工作時(shí)表現(xiàn)出增阻效果。

圖3 三角形（a）、半圓形（b）、矩形（c）3種截面形狀下微結(jié)構(gòu)形態(tài)對(duì)離心泵減阻率的影響

圖4 橫向溝槽（a）和流向溝槽（b）2種形態(tài)下微結(jié)構(gòu)形狀對(duì)離心泵減阻率的影響

離心泵運(yùn)行過(guò)程中，葉輪葉片等過(guò)流表面所受到的阻力主要包括摩擦阻力和壓差阻力，其中摩擦阻力是由黏性剪切應(yīng)力和湍流雷諾應(yīng)力兩部分組成，湍流雷諾應(yīng)力是由于流速脈動(dòng)引起質(zhì)點(diǎn)間的動(dòng)量交換產(chǎn)生的附加應(yīng)力，可用湍流動(dòng)能來(lái)反映湍流雷諾應(yīng)力。為進(jìn)一步揭示微結(jié)構(gòu)形態(tài)、形狀對(duì)離心泵減阻影響的機(jī)理，本文分析了葉片表面的剪切應(yīng)力（主要是由于摩擦阻力引起）、湍流動(dòng)能和近壁面區(qū)域速度的云圖，結(jié)果如圖5—8所示。為方便分析，微結(jié)構(gòu)葉片的表面剪切應(yīng)力、湍流動(dòng)能和近壁面區(qū)域速度云圖的標(biāo)尺與光滑葉片相同。

圖6為額定流量下，微結(jié)構(gòu)形狀、形態(tài)對(duì)離心泵葉片表面剪切應(yīng)力的影響。結(jié)果顯示，葉片出口處布置表面微結(jié)構(gòu)可以明顯地降低該區(qū)域葉片表面的剪切應(yīng)力，同時(shí)也明顯影響了未布置微結(jié)構(gòu)的葉片壓力面的表面剪切應(yīng)力。當(dāng)微結(jié)構(gòu)截面形狀相同時(shí)，布置流向溝槽結(jié)構(gòu)的葉片表面的最大剪切應(yīng)力和高剪切應(yīng)力分布區(qū)域均最小，布置橫向溝槽結(jié)構(gòu)的葉片表面次之。當(dāng)微結(jié)構(gòu)布置形態(tài)相同時(shí)，矩形微結(jié)構(gòu)表面最大剪切應(yīng)力和高剪切應(yīng)力分布區(qū)域均最小，三角形微結(jié)構(gòu)葉片表面次之。微結(jié)構(gòu)的形狀、形態(tài)對(duì)葉片表面剪切應(yīng)力和離心泵減阻率的影響規(guī)律具有很好的一致性。

額定流量下，微結(jié)構(gòu)形狀和形態(tài)對(duì)離心泵葉片表面湍流動(dòng)能的影響如圖7所示。結(jié)果顯示，高湍流動(dòng)能出現(xiàn)在靠近葉片出口區(qū)域。當(dāng)微結(jié)構(gòu)截面形狀相同時(shí)，布置流向溝槽結(jié)構(gòu)的葉片表面的湍流動(dòng)能值較小且高湍流動(dòng)能分布區(qū)域減少，橫向肋條葉片表面的湍流動(dòng)能和高湍流動(dòng)能區(qū)域均較大。當(dāng)微結(jié)構(gòu)形態(tài)相同時(shí)，矩形微結(jié)構(gòu)表面湍流動(dòng)能最小，三角形微結(jié)構(gòu)次之，而半圓形溝槽表面湍流動(dòng)能最大。同樣，微結(jié)構(gòu)的形狀、形態(tài)對(duì)葉片表面湍流動(dòng)能和離心泵減阻率的影響規(guī)律也具有很好的一致性。

綜合圖6和圖7可以看出，當(dāng)表面布置有流向矩形溝槽時(shí)，葉片表面的剪切應(yīng)力和湍流動(dòng)能均較小，因而具有較大減阻率。微結(jié)構(gòu)對(duì)葉片表面湍流動(dòng)能和剪切應(yīng)力的影響，主要源于微結(jié)構(gòu)對(duì)近壁面區(qū)域速度場(chǎng)的改變，如圖8所示。當(dāng)葉片表面布置橫向肋條時(shí)，近壁面區(qū)域的流動(dòng)紊亂程度明顯高于橫向溝槽表面，流向溝槽表面的湍流程度最小，這表明葉片表面布置流向微溝槽結(jié)構(gòu)可使其附近的湍流程度得到較好控制，且葉片整體的湍動(dòng)程度均有較為明顯的控制和減弱，從而降低了葉輪內(nèi)流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量損耗，起到了減阻作用。同時(shí)，與流向肋條和橫向溝槽結(jié)構(gòu)相比，流向溝槽明顯降低了近壁面層流體的速度梯度，具有較小的黏性摩擦阻力。針對(duì)3種形狀的流向溝槽，其近壁面層的紊流程度和速度梯度均明顯降低，因此均表現(xiàn)出減阻效果。

圖5 光滑葉片的湍流動(dòng)能（a）、剪切應(yīng)力（b）和表面速度（c）云圖

圖6 額定流量下微結(jié)構(gòu)形狀、形態(tài)對(duì)壁面剪切應(yīng)力云圖的影響

圖7 額定流量下微結(jié)構(gòu)形狀、形態(tài)對(duì)表面湍流動(dòng)能云圖的影響

圖8 額定流量下微結(jié)構(gòu)形狀、形態(tài)對(duì)葉片近壁面區(qū)速度云圖的影響

額定流量時(shí)微結(jié)構(gòu)葉片近壁面區(qū)域的跡線見(jiàn)圖9，可知表面微結(jié)構(gòu)會(huì)明顯改變近壁面區(qū)域速度場(chǎng)的分布，矩形橫向溝槽和肋條2種形態(tài)的微結(jié)構(gòu)內(nèi)部均產(chǎn)生了渦流結(jié)構(gòu)。布置橫向矩形溝槽的葉片表面，其近壁面區(qū)域內(nèi)湍流的猝發(fā)明顯降低且紊流層厚度減小，同時(shí)被限制在溝槽內(nèi)的渦流一定程度起到“滾動(dòng)軸承”的減阻作用，因此橫向溝槽具有減阻效果。葉片表面布置橫向矩形肋條導(dǎo)致微結(jié)構(gòu)和流體作用初始區(qū)域湍流猝發(fā)情況加劇，使得近壁面紊流層的厚度增加，但在橫向肋條與流體作用的下游，其與橫向溝槽作用類(lèi)似，具有一定的滾動(dòng)減阻作用，因此在額定流量時(shí)橫向矩形肋條減/增阻效果不明顯。

圖9 矩形橫向肋條（vr-r1）和溝槽（vg-r1）的跡線圖

流體經(jīng)過(guò)溝槽結(jié)構(gòu)時(shí)，流體的流向會(huì)在尖角附近發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而形成反向旋轉(zhuǎn)的渦。由圖10中3種截面形狀的橫向溝槽葉片近壁面區(qū)域的跡線圖可以發(fā)現(xiàn)，3種微結(jié)構(gòu)內(nèi)部均形成了反向渦，根據(jù)“第二渦群”反向旋轉(zhuǎn)的流向渦與溝槽尖頂區(qū)域相互作用可產(chǎn)生小的二次渦，減少低速條帶向外猝發(fā)隨機(jī)渦的幾率和程度，即抑制了湍流的產(chǎn)生。不同微結(jié)構(gòu)形狀“二次渦”的位置不同，對(duì)葉片近壁面流場(chǎng)的影響程度不同。矩形溝槽有兩個(gè)尖角，溝槽谷底間距最大，溝槽頂角為零，因此受到溝槽尖頂?shù)淖璧K而分離出的“二次渦”的位置最高，“二次渦”與溝槽邊界的接觸區(qū)域的面積最小，因此“二次渦”受溝槽尖頂?shù)淖饔昧ψ钚?，?yīng)力較高區(qū)域的面積最小；并且矩形溝槽底部層流的厚度最大，使得整個(gè)仿生微結(jié)構(gòu)葉片表面的剪應(yīng)力最低，因此在葉片表面布置矩形溝槽的減阻效果最好。

圖10 3種微結(jié)構(gòu)形狀下橫向溝槽的跡線圖

3.2 仿生微結(jié)構(gòu)尺寸的影響

由圖3和圖4可知，減阻效果位于前三的微結(jié)構(gòu)為流向矩形溝槽結(jié)構(gòu)、流向三角形溝槽結(jié)構(gòu)、橫向矩形溝槽結(jié)構(gòu)，因此進(jìn)一步選擇這3種微結(jié)構(gòu)以研究微結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)減阻特性的影響規(guī)律。仿真采用的仿生微結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表3，結(jié)果如圖11所示。

由圖11可知，針對(duì)3種形式的微結(jié)構(gòu)，當(dāng)微溝槽高度為0.5 mm時(shí)，3組微結(jié)構(gòu)的減阻效果均最好，其次是溝槽高度為0.75 mm的，溝槽高度為0.25 mm的減阻率最小。微結(jié)構(gòu)高度尺寸對(duì)減阻率的影響程度隨著流量的增加而增加。當(dāng)葉片表面布置微流向矩形溝槽時(shí)，微結(jié)構(gòu)的高度尺寸對(duì)其減阻率的影響程度較低。當(dāng)表面布置微橫向矩形溝槽時(shí)，微結(jié)構(gòu)高度的影響程度較大。

表3 微結(jié)構(gòu)尺寸影響研究的模型參數(shù)

圖11 橫向矩形溝槽（a）、流向三角溝槽（b）和流向矩形溝槽（c）條件下微結(jié)構(gòu)高度對(duì)離心泵減阻率的影響。

根據(jù)圖11結(jié)果，進(jìn)一步分析橫向矩形溝槽的高度影響減阻效果的機(jī)理。溝槽尺寸對(duì)減阻率的影響與溝槽中的流動(dòng)形態(tài)有關(guān)，圖12給出了橫向矩形溝槽3種高度時(shí)微結(jié)構(gòu)內(nèi)部的跡線圖。結(jié)果顯示，當(dāng)微結(jié)構(gòu)高度=0.25 mm時(shí)，由于溝槽的寬高比過(guò)大，在溝槽內(nèi)部沒(méi)有形成明顯的流動(dòng)渦，對(duì)近壁面區(qū)流動(dòng)的抑制作用較弱，減阻率最小。當(dāng)微結(jié)構(gòu)高度為0.5、0.75 mm時(shí)，微溝槽內(nèi)均形成了形態(tài)較好且穩(wěn)定流動(dòng)渦，但由于=0.75 mm的微溝槽內(nèi)反向渦的中心距溝槽外平面距離較大，其對(duì)近壁面區(qū)域湍流的抑制效果減弱，且反向流的“滾動(dòng)軸承”的減阻效果減弱，因此與=0.5 mm的矩形溝槽相比，減阻率降低。

圖12 3種高度下橫向矩形溝槽的內(nèi)部跡線圖

4 結(jié)論

通過(guò)在離心泵葉片表面布置仿生微結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)明顯減阻，減阻率與布置微結(jié)構(gòu)的形態(tài)、形狀和尺寸等密切相關(guān)。本文通過(guò)在葉片出口處的吸力面上布置長(zhǎng)度為葉片型線長(zhǎng)度的13%微結(jié)構(gòu)，研究分析了相關(guān)因素對(duì)離心泵減阻率的影響規(guī)律和機(jī)理。

表面微結(jié)構(gòu)的減阻與近壁面區(qū)域流體的流動(dòng)行為相關(guān)，葉片表面仿生微結(jié)構(gòu)的布置會(huì)對(duì)近壁面處的速度場(chǎng)和湍流強(qiáng)度產(chǎn)生影響，抑制了流場(chǎng)內(nèi)由于速度梯度過(guò)大而導(dǎo)致小尺度渦的產(chǎn)生，并阻止了渦量的增大，使其附近的湍動(dòng)程度得到較好控制，且全流場(chǎng)整體的湍動(dòng)程度均有較明顯的控制和減弱，從而降低了葉輪內(nèi)流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量損耗，降低運(yùn)動(dòng)阻力。同時(shí)微結(jié)構(gòu)還可以改變近壁面層流體的速度梯度，降低表面摩擦阻力，且微結(jié)構(gòu)內(nèi)的反渦流結(jié)構(gòu)還具有類(lèi)“滾動(dòng)軸承”的減阻效果。

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Simulation Study on the Drag Reduction of Centrifugal Pump with Bionic Micro-structured Blade

1,1,1,1,2,3

(1. School of Mechanical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 2. Dewater Technology, Changsha 410205, China; 3. Tianjin Research Institute for Advanced Equipment, Tsinghua University, Tianjin 300300, China)

Centrifugal pump plays an important role in dealing with the water flooding accident in a coal mine. However, it has disadvantages of high mechanical loss and low energy utilization efficiency. Thus, studying the drag reduction performance of a centrifugal pump is essential. Not only it can save energy, but also can improve the pump stability. Here the drag reduction of the centrifugal pump is realized by arranging bionic microstructures on the centrifugal pump blade surfaces, and the optimal design parameters are obtained. In the paper, the influence rules and mechanisms of the bionic microstructures on the drag reduction of the pump are investigated by simulation method, and the variations in the impeller working torques caused by the bionic microstructures, compared to that of the pump with smooth blade surfaces, are used to characterize the drag reduction ratio. The effects of the arrangement, shape, and height size of the bionic microstructures are considered. And the microstructures are arranged on the outlet of the blade suction surfaces with an area ratio of 13%.

Results show that in the three arrangements of vertical rib, vertical groove, and parallel groove, the parallel groove has the highest drag reduction ratio. And for all the flow rates analyzed, all the parallel grooves with different cross-section shapes can realize drag reduction. In the three shapes of triangle, semicircle, and rectangle, the rectangular shape has the best drag reduction performance. The drag reduction ratio does not change monotonically with the microstructure height increasing. For the three heights analyzed, all the three kinds of microstructures with=0.5 mm have the largest drag reduction ratio. For all bionic micro-structured surfaces, their drag reduction ratios increase with the flow rate increasing. For all conditions, the blade surface with a parallel rectangular groove has the highest drag reduction percentage of 8.39%.

The bionic microstructures arranged on the blade surface will inevitably influence the flowing behaviors, especially for the near-surface fluid layer. The flow resistances are mainly caused by the frictional resistance and the differential pressure resistance. The friction resistance is composed of the viscous shear stress and the turbulent Reynolds stress, which are closely related to the flowing behaviors. In the paper, the path line figure near the blade surface, as well as the nephogram of velocity, turbulence kinetic energy, and shear stress are used to analyze the influence rules and mechanisms. The low-speed fluid layer trapped in the microstructures can effectively control and weaken the turbulence of the near-surface fluid layer, thus reducing the turbulent kinetic energy loss. Meanwhile, there are obvious reverse flow vortices in the microgrooves as shown in the path line figure. The reverse flow vortex can work as a "rolling bearing", which transforms the sliding friction into the rolling friction, thus reducing the fluid friction resistance. The low-speed fluid layer trapped in the microstructures can also increase the effective thickness of the boundary viscous layer and decrease the velocity gradient of the near-surface layer, resulting in lower surface frictional resistance. This research provides theoretical guidance for reducing energy loss of the centrifugal pump by using the bionic microstructure surface.

centrifugal pump; bionic microstructure; drag reduction; turbulence kinetic energy; numerical simulation

TH117

A

1001-3660(2023)02-0196-10

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.02.017

2022–04–13；

2022–10–22

2022-04-13；

2022-10-22

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFC0810500）；國(guó)家自然科學(xué)基金（51975042、51905032）；中央高校基本業(yè)務(wù)費(fèi)（FRF-TP-19-004A3）

The State Key Development Program for Basic Research of China (2018YFC0810500); the National Natural Science Foundation of China (51975042, 51905032); the Fundamental Research Funds for the Central Universities, China (FRF-TP-19-004A3)

黃明吉（1972—），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)橹悄苤圃炫c裝備智能技術(shù)。

HUANG Ming-ji (1972-), Male, Doctor, Associate professor, Research focus: intelligent manufacturing and equipment intelligent technology.

喬小溪（1986—），女，博士，副教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械表面界面科學(xué)和摩擦學(xué)。

QIAO Xiao-xi (1986-), Female, Doctor, Associate professor, Research focus: surface and interface science in machinery, tribology.

黃明吉, 劉圣艷, 喬小溪, 等.離心泵仿生微結(jié)構(gòu)葉片減阻特性的仿真研究[J]. 表面技術(shù), 2023, 52(2): 196-205.

HUANG Ming-ji, LIU Sheng-yan, QIAO Xiao-xi, et al. Simulation Study on the Drag Reduction of Centrifugal Pump with Bionic Micro- structured Blade[J]. Surface Technology, 2023, 52(2): 196-205.

責(zé)任編輯：萬(wàn)長(zhǎng)清