翼型表面開孔對其空化性能的影響

朱曉東，劉小兵，田長安

(西華大學流體及動力機械教育部重點實驗室，成都 610039)

在一定水溫下，由于壓強降低到某一值使水中的氣泡(氣核)迅速膨脹成含有水蒸汽或其他氣體的明顯氣泡，這一現象稱之為“空化”。當氣泡流經固體表面壓強較高的地方時不間斷潰滅產生的瞬間大壓強的反復作用會嚴重破壞固體表面，這種現象稱之為“空蝕”，是空泡不斷的形成、發育和潰滅的過程[1,2]。

基于上述國內外學者的研究，本研究通過在非對稱翼型低壓區布置不同孔徑和不同形式的微孔來研究微孔對優化翼型空化性能的影響，孔徑共4種，每種孔徑均布置了單孔、三角形孔、梅花形孔3種形式，孔徑和布置形式可得12種翼型結構，加上無孔翼型共計13種。本研究中的翼型是構成水力機械轉輪葉片的基元，研究成果可以為后續更進一步的研究解決水力機械的空化空蝕問題提供一些基礎的理論依據。

1 模型與數值方法

1.1 模型參數及網格

做了微孔面積與無孔翼型上表面積比值從0.001 7%～0.162 9%的不同翼型，將翼型放置在一個三維圓臺流道內，Re為1.27×106，以翼型前緣頂點為坐標中心，圓臺總長600 mm，翼型位于圓臺進口面200 mm處，翼型長100 mm，圓臺進口直徑80 mm，出口直徑160 mm，翼型上的微孔直徑有0.5 mm(0.001 7%)、1 mm(0.006 8%)、1.5 mm(0.015 3%)、2 mm(0.027 2%)4種。通過UG軟件分別建立這13種翼型結構的三維幾何模型，采用ICEM對不同翼型結構進行四面體混合網格劃分，在圖1與圖2中以無孔模型和1.5 mm孔梅花形模型為例，給出模型示意圖與網格劃分圖。

圖1 無孔模型與1.5 mm梅花形孔翼型模型圖Fig.1 Non-porous model and 1.5 mm quincunx airfoil model diagram

圖2 無孔模型與1.5 mm梅花形孔模型網格劃分圖Fig.2 Mesh diagram of non-porous model and 1.5 mm quincunx hole model

1.2 邊界條件

應用計算流體力學軟件Fluent18.0，采用RNGk-ε湍流模型和歐拉多相流模型對不同翼型結構進行繞流流場數值計算，在計算中，采用標準壁面函數，首相是液態水，第二相是氣體，氣體體積分數為0.03，計算邊界采用速度入口，攻角為0，液相速度為12 m/s，氣相速度為12.1 m/s，自由出流出口。

1.3 控制方程

為了更好的模擬不同翼型結構周圍表面的流場流動，文中采用氣液兩相流的RNGk～ε模型[19]。

液體相連續方程：

(1)

氣體相連續方程：

(2)

液體相動量方程：

(3)

氣體相動量方程：

(4)

湍動能k方程：

(5)

湍動能擴散率ε方程：

(6)

2 計算結果分析

2.1 確定開孔位置

在本研究中，對無孔翼型繞流流場分析，見圖3(a)，根據無孔翼型的靜壓分布云圖，若以翼型前緣中心為坐標原點，在點A(20,0,0)處布置單孔，若多孔時，以梅花形孔為例，點A為梅花形中心點，其余五點均勻的分布在點A周圍，中心孔與其周圍孔的距離均是孔直徑的二倍。得到不同孔徑和形式的微孔，經過對比分析得出本研究中1.5 mm梅花形孔模型中翼型表面的低壓區范圍最小，見圖3(b)。對比分析圖3(a)和圖3(b)，可以明顯看出在翼型表面開孔后，在此面積比(0.091 7%)下翼型表面的低壓區壓力顯著的增大，從而延緩空化初生的發生。

圖3 無孔翼型與1.5 mm梅花形孔翼型的靜壓分布云圖Fig.3 Static pressure distribution cloud diagram of non-porous airfoil and 1.5 mm quincunx airfoil

2.2 不同開孔翼型的面積比

以微孔的直徑、個數和布置形式的不同共有12種開孔翼型，每種翼型的微孔面積與無孔翼型的上表面積的面積比見表1。

表1 不同微孔翼型的面積比 %Tab.1 Area ratio of different micropore airfoils

2.3 開孔前后翼型上、下方靜壓分布分析

以翼型前緣頂點為坐標原點，在不同翼型結構的計算區域內部同一位置處取一個面，命名此面為m1,m1面內一點(-0.000 947 8，-0.000 193 6,0.113 151 9)和該面法線向量{0,0,1}確定此面。

圖4中(a)、(d)、(g)、(j)、(m)為無孔翼型與單孔翼型、圖4(b)、(e)、(h)、(k)、(n)為無孔翼型與三角形孔翼型、圖4(c)、(f)、(i)、(l)、(o)為無孔翼型與梅花形孔翼型，無孔翼型與3種開孔翼型的排列方式是從上至下，3種類型的孔徑均是從小到大(0.5～2 mm)。從無孔翼型的靜壓云圖中可以看出來，當流體在流道內遇到翼型前緣的阻礙時，流速會下降，壓力就會升高使翼型前緣壓力突然增大，形成一片高壓區，當流體繞流翼型前緣后，在翼型上方會看到一個明顯的低壓區域，在翼型下方的低壓區明顯小于翼型上方，翼型上、下方的壓力變化趨勢是由大變小再變大，繞過翼型尾緣后壓力逐漸趨向一致。

圖4 微孔翼型與無孔翼型的m1面上的靜壓分布云圖Fig.4 Static pressure distribution cloud diagram on the m1 plane of micropore airfoil and non-porous airfoil

對比無孔翼型，開孔翼型的壓力分布與無孔翼型的趨勢是一致的。無孔翼型與不同孔徑的3種類型的翼型表面壓力分布之間的對比得出2 mm單孔翼型、1.5 mm的三角形孔翼型和梅花形孔翼型上下方的低壓區范圍最小；同一孔徑不同孔類型的翼型表面壓力分布之間的對比得出0.5 mm三角形孔翼型、1、1.5和2 mm梅花形孔翼型上下方的低壓區范圍最小；同一面積比不同孔徑和布置形式下開孔翼型之間的對比得出隨著孔徑的增大，2 mm單孔(0.027 2%)的低壓區范圍趨向于與1 mm三角形孔(0.027 2%)翼型的，但0.5 mm三角形孔(0.006 8%)的低壓區范圍要明顯小于1 mm單孔(0.006 8%)。對按照不同的因素對比分析得出的低壓區分布小的翼型結構再對它們表面壓力分布進行對比分析，得出2 mm單孔翼型表面比0.5 mm三角形孔翼型表面的低壓區范圍更小。本研究中1.5 mm梅花形孔翼型是13種翼型中上下方的低壓區范圍最小的。綜合以上分析可以得出，翼型開孔可以明顯減小翼型表面的低壓區分布范圍，減少的范圍與微孔的個數、孔徑的大小、布置方式都有關系。

3 結 論

(1)無孔翼型繞流流場得出翼型上方低壓區范圍要大于翼型下方，且不同翼型結構的上、下方壓力變化趨勢是由大變小再變大，繞流翼型尾緣后壓力逐漸趨向一致。

(2)開孔翼型均改變了繞流無孔翼型的流場，增大了低壓區的壓力，減小了低壓區的范圍，抑制了空化初生，減少了空蝕的危害。1.5 mm梅花形孔(0.0917%)翼型周圍的低壓區范圍是本研究中最小的。

(3)2 mm單孔翼型表面比0.5 mm三角形孔翼型表面的低壓區范圍更小，需要綜合考慮微孔的個數、孔徑的大小、布置方式這3個因素。