壁面粗糙度对轴流泵流场特性的数值模拟分析

2018-08-30潘张宇顾丽琼顾梅芳陈新华

水利科技与经济 2018年4期

潘张宇，顾丽琼，顾梅芳，陈新华

(1.江阴市白屈港水利枢纽管理处，江苏无锡 214431；2.江阴市水利工程公司，江苏无锡 214400；3.江阴市重点水利工程建设管理处，江苏无锡 214431；4.江阴市南闸水利农机服务站，江苏无锡 214431)

0 引言

轴流泵是叶片泵的一种，依靠叶片的旋转将机械能传递给流体，本身结构为三维空间扭曲状，给加工和制造带来一定的困难，使得轴流泵产品在不同的加工精度和使用环境下表现出一定的性能差别。轴流泵的性能不仅取决于基本翼型及叶片本身参数，而且受到加工影响较为明显，大量工程实例也证明壁面粗糙对性能影响较大。如高军甲[1]对输油离心泵叶轮进行电解抛光后，大幅降低粗糙度，效率提高了5%；冯建军[2]、王川[3]等也进行过类似的研究得到相应的结论。文献[4-10]通过数值模拟及实验的方法探讨了壁面粗糙度对流体机械的性能影响，赵斌娟[4]发现0.2 mm壁面粗糙度对某离心泵影响最大；付飞[11]系统总结了近年来关于旋转机械在表面粗糙度取得的研究进展。研究表明，壁面粗糙度加剧了壁面附近的湍流现象，边界层变得更薄[12]。通常将壁面粗糙度模型简化为等效沙粒粗糙度模型进行仿真计算，通过设置不同壁面粗糙度，观察外特性的变化关系。在轴流泵的研究中，往往将壁面简化为光滑壁面，与实际存在一定的差别，现有研究也探讨了不同粗糙度对外特性的影响，但是对内部流场结构的影响确少有报道。本文采用全结构化网格，结合沙粒粗糙度模型和标准κ-ε湍流模型进行轴流泵三维数值模拟计算，并分析不同壁面粗糙度对轴流泵内流场的影响规律。

1 数值计算

1.1 控制方程及边界条件设置

基于雷诺时均N-S方程，标准κ-ε紊流模型，通过有限体积法对计算域进行离散[13]。为便于处理叶轮旋转计算域，将叶轮室设置成旋转域，转速为1 450 rpm，从顺水流看为逆时针方向旋转。动静交界面采用周向平均处理不同时刻叶片与导叶相位不同引起的差别。参考压力为1 atm，进口采用压力进口，设置为0 Pa，出口采用质量流出口，设置为350 kg/s。

1.2 计算域及网格划分

泵段的几何模型见图1。进口直管段直径为350 mm，在进入叶轮室前有一段收缩，叶轮室球形直径为标准300 mm，叶片数为4，导叶外缘为逐渐扩散端，在弯头交界处扩散至350 mm，导叶叶片数为5。整个模型采用结构化网格，进口段网格总数为25万，叶轮室网格总数为39万，导叶室网格为40万，60°弯头及出口延长段网格总数为42万，总共网格为146万，经过网格无关性分析满足网格无关性要求。

1进口直管段；2叶轮室；3导叶段；4出水弯头；5出口延长段图1 计算域模型

2 计算结果及分析

2.1 外特性对比分析

将不同粗糙壁面影响下的仿真结果经过处理，得到轴流泵装置的外特性，见表1。

表1 不同壁面粗糙度影响下泵段外特性

从计算结果可知，在壁面粗糙度的影响下，轴流泵的扬程下降，效率下降。对效率的影响最明显，其次为扬程，对轴功率影响最小，并且轴功率在粗糙度的影响下表现为波动上升。从光滑壁面到0.1 mm粗糙度时，扬程降低了0.39 m，相对降低6.41%，效率降低了6.31%，相对降低了7.79%；从0.4mm粗糙壁面到0.5mm壁面时，扬程相对降低了0.11%，效率相对降低了0.47%。在壁面粗糙度较小时，对性能的影响较明显；而在壁面粗糙度较大时，影响较小。

2.2 不同粗糙度影响各过流部件水力损失分布

将计算结果的各过流部件水力损失按参考文献[14]的方法求出，整理成柱状图(图2)，并将各部分损失分布整理成圆环图(图3)。因动静交界面采用了周向平均处理，会在交界面产生额外的能量损失，这里统一计入下一级过流部件之中，在处理中统一选取一对交界面的流出部件。

图2 不同粗糙度影响下各过流部件水力损失分布图

图3 各过流部件水力损失分布圆环图

在取出的各个部件中，设计流量工况下水力损失最大的部件为叶轮室部分，其次为从导叶出口到60°弯头结束之间部分，再次为导叶室。由图2和图3可知，进水直管段的水力损失较小，虽然在粗糙壁面的影响下增加幅度最大，但是其水力损失对整体性能影响较小。叶轮室部分因叶片高速旋转，且主要能量转化均在这里完成，水力损失占比重最大，并且随着粗糙度的增加，水力损失占的比重也逐渐增加。导叶内部的水力损失随着壁面粗糙度增加而增加，所不同的是，占整体的比重略有减小。

2.3 叶轮进口轴向速度分布

进口直管段虽然水力损失较小，但因壁面的改变引起了边界层厚度的变化，引起速度在径向上的分布不均，这里将叶轮进口的轴向速度取出，见图4。

图4 叶轮进口轴向速度分布对比图

由图4可知，当壁面从光滑壁面变为粗糙壁面之后，轴向速度分布有比较明显的变化。对比图中粗糙壁面的边界处速度分布要小于光滑壁面，特别是在近轮缘侧减小最为明显。因计算工况相同，近壁面速度的减小导致中间部分的速度偏大，引起进口速度分布的不均。

2.4 叶轮进口水流冲角及变化趋势

进口速度的变化将会引起水流冲角的变化，这里将光滑壁面的液流角取出整理成图5实线所示，将对比粗糙壁面方案进口的液流角减去原始方案得到的结果整理成图5次坐标虚线所示。

图5 叶轮进口液流角及粗糙壁面影响下变化值

沿着半径方向切向速度的增加，相对坐标系下的液流角从轮毂到轮缘逐渐减小，粗糙壁面方案在近壁面出液流角增加，在中间Span从0.11～0.82都减小，减小值约为0.3°。进水直管段虽然水力损失较小，对扬程几乎无影响，但是其通过改变叶轮进口的速度分布，进而影响轴流泵的水力性能。

2.5 叶轮及导叶内部沿流向方向静压分布变化

叶片内部的水力损失分布变化也与压力分布相关，这里将叶轮及导叶内部沿着流向方向静压分布取出并整理，见图6。

注：Span=0为叶轮进口，Span=1为叶轮出口，Span=2为导叶出口。图6 叶轮及导叶内部沿着流向方向静压分布变化

在进入叶轮室后未进入叶片之前，先有一段平缓的下降，在接触叶片头部先是下降，然后是上升，形成类似于“√”状。在离开叶片后，压力曲线仍缓慢上升，此时仍有动能回收转化成压能，一方面抵消了水力损失表现的静压下降，另一方面压力缓慢上升。在叶轮导叶动静交界面处，因周向平均假设导致曲线会有一定的跳动，在进入导叶室之后，随着导叶大量回收环量，压力增加。随着环量的减小，压力增加趋势降低，曲线变的平缓。