葉片仿鯊魚鰭的導葉式離心泵數值仿真研究*

沈姍姍，左 強

(1.浙江工業職業技術學院 機械工程分院，浙江 紹興 312000；2.浙江大學城市學院 機械系，浙江 杭州 310015)

0 引 言

離心泵通過葉輪旋轉而使水進行離心運動，被廣泛應用于電力、化工、核能等眾多領域[1-3]。導葉作為過流部件，它的作用是降速擴壓，同時能夠降低離心泵徑向力，一般應用在核電和大型發電機組中[4-5]。仿生學是通過對生物表面微觀結構和功能原理進行研究，并基于其原理發明新的技術，被廣泛應用于科技生產制造中[6-7]。

近年來，在離心泵領域運用仿生學原理的研究得到了國內眾多學者的關注。

毋少峰等[8]通過數值計算分析了采用半球凹坑單元結構的光滑—非光滑交錯分布非光滑表面配流盤對高壓海水軸向柱塞泵的水力特性影響，結果表明：采用非光滑表面結構的配流盤可以改善其潤滑性能；張金鳳等[9]對帶有貓頭鷹羽毛端部鋸齒結構的管道泵內部流場與聲場進行了研究，結果表明：仿生葉片尾緣鋸齒結構能夠改善壓力脈動、穩定流場和降低噪聲；孫藝文等[10-11]將凹坑形仿生單元體應用在泥漿泵活塞表面結構上，發現了合理的凹槽結構能夠提高活塞的使用壽命；牟介剛等[12-13]采用仿生蝸殼對離心泵內部流場進行了數值計算，結果表明：仿生蝸殼能對泵內流場壓力脈動能[14]起到改善作用；LEU T S等[15]模擬蚊類吸血機理研制了一種新型仿生微泵，通過改變蚊子嘴的大小，確定了瞬時流動過程的最佳波形；XIA D[16]設計了一種永磁驅動的仿生人工心臟血泵，較好地解決了血泵由體外向體內供電及體內能量轉換部件產生的熱量問題；BüGENER N等[17]基于蜿蜒河流的吸力管道的仿生設計，對軸向柱塞泵進行了CFD分析，確定了總壓損失最大的區域，并且發現了彎曲形狀設計可以明顯降低壓力損失和壓力脈動。

目前，將仿生技術應用在導葉式離心泵的研究還較少[18-19]。

本文將研究分析鯊魚鰭微觀結構，將其運用在葉輪葉片上，對導葉式離心泵在多工況下的流場進行非定常計算，以分析離心泵的徑向力的變化特性以及泵內部流場的分布規律，為導葉式離心泵優化設計提供理論依據。

1 計算模型與數值計算方法

1.1 計算模型

本文選用的計算對象為帶有徑向導葉的離心泵，其由葉輪、導葉、蝸殼、以及進出口水管組成。

計算模型如圖1所示。

圖1 計算模型

其中：葉輪葉片數Zi=6，導葉葉片Zg=7。

該泵的額定轉速n=1 450 r/min，設計流量為Qd=800 m3/h，揚程為H=96 m，效率為η=78.5%。

1.2 仿生結構

鯊魚捕食時的行進速度非常快，可達10 m/s～20 m/s[20-21]。鯊魚游動時主要依靠軀體、尾以及鰭來實現推進，特別是通過背鰭保持穩定性。

鯊魚鰭結構如圖2所示。

圖2 鯊魚鰭結構

圖2中，鯊魚背鰭前沿呈扁尖狀，高度和厚度沿脊椎向后逐漸增大。從流體動力學角度分析，這種特殊的結構改變了鯊魚在游動時皮膚表面的湍流層的結構與速度分布，抑制了附面層的湍流脈動，從而減小了摩擦阻力，具有低流動阻力的流動特征。

筆者通過對鯊魚背鰭這種結構進行簡化與提取，并將其運用在離心泵葉片前緣位置，得到了仿鯊魚鰭葉片。

1.3 網格劃分及無關性驗證

對導葉式離心泵采用不同數量的網格進行無關性驗證。本文分別用5組不同尺度網格，對導葉式離心泵設計工況，即n=1 450 r/min，Qd=800 m3/h進行數值模擬。

不同網格數量的外特性模擬值如表1所示。

表1 不同網格數量的外特性模擬值

從表1中可看出：當網格數大于102 569后，導葉式離心泵的揚程和效率基本保持不變，因此最終選用網格數量為102 569左右。

1.4 數值計算方法以及邊界條件設置

本文選用標準的k-ε湍流模型，通過Pumplinx進行計算。進口設置為一個標準大氣壓，出口選用流量，壁面采用無滑移條件；

采用SIMPLEC算法和二階迎風格式離散差分方程進行數值計算，收斂精度為10-4；

設置葉片旋轉一步轉過3°，旋轉120步，葉輪旋轉一周。

2 計算結果分析

2.1 外特性分析

本文所研究內容的試驗在閉式試驗臺進行，試驗裝置及外特性試驗對比如圖3所示。

圖3 試驗裝置及外特性試驗對比

通過對比圖3可知：

由5個典型流量工況的計算結果可知，原模型和仿鯊魚鰭葉片模型的數值計算值與試驗值基本吻合；同時，發現仿仿鯊魚鰭葉片模型的揚程和效率都較原模型有提高，說明仿鯊魚鰭葉片能改善泵內流動。

2.2 徑向力分析

在不同流量工況下，原模型與仿鯊魚鰭葉片模型葉輪和導葉徑向力矢量分布如圖4所示。從圖4中可以清楚地看出，每個矢量點所代表葉輪徑向力的大小和方向。

由圖4可知：

(1)兩種模型下的葉輪徑向力的大小和方向時刻在發生變化，并呈現周向分布，表現出明顯的動靜干涉特性；

(2)在小流量工況下，兩模型葉輪矢量徑向力的波形基本相似，但仿鯊魚鰭葉片相比原模型，Fx和Fy均有所減小，其葉輪矢量徑向力的變化幅度也在明顯減小，改善動靜干涉作用；

(3)在設計流量工況下，葉輪徑向力變化相對較規則，基本保持由原點為中心對稱，同時該工況下的兩種模型下葉輪的Fx變化幅度相比小流量工況大，仿鯊魚鰭葉片對Fy有減小作用，對Fx有增大作用，動靜干涉作用也在減弱；

(4)在大流量工況下，兩種模型下的葉輪徑向力變化劇烈，呈現明顯而又規則的星型分布，仿鯊魚鰭葉片對Fy略有增大，對Fx正方向的力有較大的增大幅度，同時隨著流量的增大，可以發現葉輪徑向力表現出減小的趨勢，葉輪星型分布特征越趨于明顯。

從圖4所示的導葉徑向力可知：

(1)兩種模型下的導葉徑向力的大小和方向呈現周期性變化，并呈現七角星星形分布；

(2)在小流量工況下，相對于原模型，仿鯊魚鰭葉片對導葉徑向力有增大作用，特別是Fx負向壓力增大較多；

(3)在設計流量工況下，兩種模型下的導葉徑向力幅值和振幅基本相同，導葉徑向力的大小和方向變化劇烈，說明該流量工況下仿鯊魚鰭葉片對導葉徑向力的改善不大；

(4)在大流量工況下，可以看出仿鯊魚鰭葉片模型下的導葉徑向力Fy下降明顯，同時振幅也相應的減小。

圖4 徑向力矢量分布

3 內流場特性分析

3.1 葉片壓力分布

在不同流量下，葉片原模型和仿鯊魚鰭葉片模型的壓力云圖如圖5所示。

由圖5可知：

(1)兩個模型下的葉片都呈現明顯的壓力梯度，葉片頭部壓力最小，葉片尾部壓力最大，由葉片頭部到葉片尾部壓力是逐漸增大的，且位于葉片壓力面的壓力是大于葉片吸力面的，這是因為流體進入流道內，在離心力的作用下能量增加，同時與葉片發生碰撞，葉片沿著葉輪流道方向壓力逐漸增大；

(2)在小流量工況下，仿鯊魚鰭葉片模型在葉片尾部所形成的高壓區大于原模型，但原模型的次高壓的區域面積較仿鯊魚鰭葉片模型大，這說明了仿鯊魚鰭葉片模型在改善葉輪出口處的壓力分布，使葉輪與導葉的動靜干涉作用得到了改善；

(3)隨著流量的增加，可以明顯發現兩模型葉片頭部的低壓區面積在減小，葉片尾部的高壓區同樣在減小，并且兩者的壓力分布也基本相似，這也進一步說明了仿鯊魚鰭葉片模型對葉輪流道的流動沒有多大影響。

圖5 葉片壓力分布

3.2 內流場壓力分布

在不同流量下，葉片原模型和仿鯊魚鰭葉片模型泵內流場壓力分布圖如圖6所示。

圖6 內流場壓力分布

由圖6可知：

(1)兩個模型下的泵內流場均表現出明顯的壓力梯度變化：流體壓力沿著葉輪流道流動方向是逐漸增大的，沿著導葉流道，流體壓力同樣是逐漸增大的；從導葉到環形壓水室，流體壓力梯度變化較小，而且環形壓水室的壓力基本上沒變化，這說明流體沿導葉進入到環形壓水室，流動是逐漸平穩的；

(2)仿鯊魚鰭葉片模型與原模型的泵內壓力分布基本相似，都隨著葉輪旋轉和流量的增加呈現周期性變化。相較于原模型，仿鯊魚鰭葉片模型下的壓力區域特別是在葉輪出口處和導葉流道內的壓力是在減小的，同時隨著流量的增加，葉片頭部低壓區是顯著減小的，而泵內流場整體壓力也是逐漸減小的，這是因為仿鯊魚鰭葉片改變了葉輪進口流體的流動特性，使其壓力進一步降低，并且經過了葉輪的做功，其改善作用被充分體現出來；

(3)在葉輪流道內和環形蝸殼中的壓力分布基本沒有變化，這說明仿鯊魚鰭葉片對泵內葉輪流道和環形蝸殼內流場的影響不大，但改善了葉輪出口處和導葉流道內的壓力分布，從而使葉輪與導葉的動靜干涉作用得到了改善。

3.3 湍動能

不同流量工況下，葉片原模型和仿鯊魚鰭葉片模型泵內流場中截面上的湍動能分布圖如圖7所示。

圖7 湍動能分布

由圖7可以發現：

(1)湍動能主要集中在葉輪流道、葉輪出口處、導葉流道內以及環形蝸殼內，其中在葉輪出口處和導葉流道內產生的湍動能分布是最多的；

(2)在小流量工況下，兩種模型下泵內流場的湍動能在小流量工況下基本相同，葉輪出口、導葉進口以及導葉流道都有湍動能產生，且在導葉進口靠近導葉頭部位置湍動能表現為最大；

(3)在設計流量工況下，兩模型下湍動能明顯下降，湍動能主要分布位置沒有發生變化，但仿鯊魚鰭葉片模型相比原模型湍動能整體明顯減小，特別是在導葉進口以及導葉流道部位較為明顯，這說明仿鯊魚鰭葉片減緩了泵內流動不穩定性，進而削弱了葉輪與導葉的動靜干涉作用；

(4)在大流量工況下，兩模型下的湍動能急劇減小，湍動能主要分布在導葉流道內和環形壓水室，其中產生在環形蝸殼內的湍動能是明顯增多的，而仿鯊魚鰭葉片模型下環形壓水室出口處的湍動能是明顯小于原模型的。

4 結束語

本文通過分析鯊魚鰭微觀結構，將其運用在葉輪葉片上，對導葉式離心泵在多工況下的流場進行了非定常計算，分析了離心泵的徑向力的變化特性以及泵內部流場的分布規律。

主要結論如下：

(1)仿鯊魚鰭葉片能夠改善泵內流動特性，導葉式離心泵的揚程和效率均有一定的提高；

(2)葉輪徑向力和導葉徑向力的波形均保持一致，仿鯊魚鰭葉片對葉輪和導葉徑向力都有一定改善作用，隨著流量的增大，兩者徑向力都呈現出減小的趨向，改善了葉輪與導葉的動靜干涉作用；

(3)葉片頭部壓力小、尾部和環形蝸殼內壓力較大，葉片壓力面的壓力大于吸力面，隨著葉輪旋轉和流量的增加，均表現出一定的周期性變化規律，仿鯊魚鰭葉片能改善葉輪出口和導葉流道內的壓力分布，改善了葉輪與導葉的動靜干涉強度；

(4)湍動能主要產在葉輪流道、葉輪出口處、導葉流道內以及環形蝸殼內，隨著流量的增加，泵內湍動能是明顯減少的，仿鯊魚鰭葉片模型相較于原模型明顯使泵內湍動能的產生減少，改善了泵內流動不穩定性。