V型结构对NACA0012型水泵叶片阻力的影响

王 珺,牟晓蕾,解 涛,许 娜

(1.烟台大学土木工程学院,山东 烟台 264005;2.烟台市工程建设第一监理有限公司,山东 烟台 264001;3.烟台大学机电汽车工程学院,山东 烟台 264005)

水泵被广泛地应用在工农业生产的各个领域．研究资料显示,目前我国水泵的年耗电量大约占全国年发电量的五分之一[1]．特别是在供水企业中,电耗占总能耗的比重最大．其中水泵电耗占水厂制水成本的30%～50%[2]．而在水泵的耗能中有绝大部分的能量消耗在水泵叶轮的摩擦阻力上,因此如何减小水泵叶轮的摩擦阻力,提高水泵能量利用率,降低能耗,节约资源,对我国节能减排具有重要意义．

为减少水泵叶轮的摩擦阻力,人们做了大量研究工作,以TOMS为代表,通过添加高聚合物添加剂而降低液体运动阻力的方法方兴未艾[3]．在各国学者的不懈努力下,微气泡减阻技术[4]对减小壁面摩擦阻力已经取得了较大的发展．近年来非光滑的减阻技术成了众多学者争相研究的热点．科学家观察发现鲨鱼、蜥蜴、步甲虫和蜣螂等许多生物体的表面结构都是非光滑的,在长期的进化过程中这些动物体表优美的宏观和表面微结构与机体的生活环境和习性相适应,且具有优异的减阻、减摩、抗黏附和抗磨损等特性[5]．非光滑表面的减阻机理在于通过表面结构的改变来破坏流场中的湍流涡结构,干扰湍流大涡的形成,抑制湍流猝发,以达到减少能量耗散,减小摩擦阻力的目的．非光滑表面减阻技术,作为减阻领域的一个重要研究热点问题,充实并加快减阻技术的发展,拓宽减阻技术的研究领域,具有重要的理论意义与工程实用价值[4]．

目前,在非光滑表面结构领域已经开展了大量的研究工作,并取得了一定的进展．美国 NASA 研究中心 WALSH等[6-8]对顺流向的微小助条进行研究,突破光滑表面的传统思维,并发现顺流向的微小助条表面结构可以有效地降低壁面的摩擦阻力．BACHER等[9]通过实验的方法,测量了非光滑壁面的流速分布并通过边界层动量积分得到了25%的减阻效果．GALLAGHER等[10]采用相同的研究方法发现沟槽板的后半部分阻力有所减小,但总的阻力几乎不变．随后澳大利亚一所生产游泳器材及泳衣的公司Speedo采用非光滑表面结构研发Fastskin系列泳衣,减阻率可达7.5%[11]．黄德斌等[12]采用标准k-ε模型对不同沟槽深度的沟槽面管道进行数值模拟,模拟得到V型沟槽减阻效果最好,最大减阻可达11%．张成春等[13]对旋成体非光滑表面流场控制减阻进行了研究,研究发现凹环表面结构的旋成体使其摩擦阻力减小了22.4%．在离心水泵方面,代东顺[4]以MP80-160离心水泵为研究对象,对不同结构的非光滑表面进行数值模拟研究,研究得到非光滑的结构对水泵叶片减阻具有一定的作用．此外,王松岭等[14]利用fluent软件在平板表面加装不同尺寸的脊状结构,通过数值模拟得到脊状尺寸越大越有利于黏性阻力减少,合理优化脊状结构能达到更好减阻效果的结论．阮辉等[15]基于NACA0012翼型对水轮机水泵叶片安放角进行模拟优化,分析了不同流量下,不同形式的安放角对水轮机转轮效率的影响．唐巍[16]将NACA0012翼型引入到水力机械中,并在翼型尾部加装锯齿结构,利用CFD的方法研究其水力特性,并得到锯齿结构可起到改善水质中翼型部件水力特性的作用．但是表面粗糙度对NACA0012翼型水泵叶片的减阻效果目前并不清楚,本文利用计算流体力学方法对NACA0012翼型的6种不同尺寸的V型结构的减阻效果和机理进行了研究．

1 研究方法

1.1 计算模型及网格划分

本文基于NACA0012翼型建立了数值计算模型,其几何结构描述如下,翼型弦长为L,流场域入口边界距翼型前端5L,出口边界距翼型后端5L,流场域宽8L,如图1所示．在翼型表面构造6种不同尺寸的V型非光滑结构,分别将其加装在整个翼型表面．考虑到翼型本身曲率的变化特点划分前缘、中段及其后缘,划分依据为翼型总体长度的前1/3曲率变化幅度大,将其划分为前缘,中部1/3接近于直线段划分为中段,后段1/3较易发生流动分离,特将其划分为后缘,并分别在其前、中、后分别加装6种不同尺寸的V型结构．V型结构尺寸分别为h=s=1/100L、1/200L、1/500L、1/1 000L、1/1 500L、1/2 000L．计算区域采用非结构网格．在近壁区进行网格加密,近壁面处网格尺寸约为V型结构尺寸h的1/20,近壁面处加密网格厚度约为3h,以保证能准确地捕获壁面处的流动状况,提高计算精度．

为保证计算结果与网格数量无关,分别对光滑翼型和粗糙度为1/2 000,将V型结构布置于整个表面的翼型做网格无关性验证．对2种模型分别构建40万、50万、60万数量级网格量的计算模型,通过对比发现,光滑翼面40万网格量的模型计算结果较50万网格量模型的计算结果相差1.9%,而50万网格量的模型较60万网格量的模型计算结果只相差0.073%．而粗糙度为1/2 000,网格量为40万的模型计算结果较50万网格量的模型计算结果相差1.3%,网格量为50万的模型计算结果较60万网格量的模型计算结果仅相差0.034%．通过以上验证实验可发现50万数量级网格的计算精度已满足本实验的要求,再次加密网格对提高计算精度的意义不大．因此为方便构建模型以及减少计算量,本文中所有模型统一采用50万数量级的网格量进行数值计算．

1.2 控制方程及边界条件

本文采用RNG k-ε两方程湍流模型,该模型对壁面湍流漩涡有较好求解精度．选取二阶迎风格式对方程进行离散,采用Coupled算法对速度和压力耦合迭代计算．

入口边界采用速度流,方向垂直于入口边界;出口为压力出流;定义工作环境,雷诺数Re=3×105;定义上下壁面为滑移壁面;定义流场域介质为15 ℃液态水．

2 模拟结果分析

2.1 阻力分析

对不同尺寸、不同位置处模型的计算结果与光滑翼型作对比,通过公式(1)计算减阻率η

(1)

式中:D为光滑表面阻力值;D1为V型结构表面阻力值.

表1为不同粗糙度的V型结构布置在整个翼型表面(图2(a))的减阻率对比,可以看出各种粗糙度的V型结构在布满整个翼型表面的情况下没有减阻的效果．并且可以发现V型结构粗糙度越大,其引起的阻力越大．图3为粗糙度1/2 000,Re=3×105时,V型表面静压力分布云图．由图3可知在V型结构的迎水面产生高压区,在背水面则压力降低,因此导致结构前后产生压力差,形成了一个来流方向的压差阻力．

表1不同粗糙度的V型结构布置在整个翼面的减阻率

Tab.1 Drag reduction rate of the V-shaped structure with dif-ferent roughness across the entire airfoil

结构类型Cd减阻率η/% 光滑0.005 746 60 1/1000.008 391 8-46.0 1/2000.007 465 8-30.0 1/5000.006 694 8-16.5 1/1 0000.006 190 7-7.7 1/1 5000.005 806 5-1.0 1/2 0000.005 911 2-2.9

为进一步探索V型结构的减阻作用,分别将V型结构布置在翼型的前、中、后3个位置,探讨其在不同粗糙度、不同位置处的V型结构能否起到减阻的作用．

通过表2可以发现将V型结构布置在翼型前段(图2(b))在Re=3×105时，粗糙度为1/1 000，1/1 500，1/2 000 的V型结构具有减阻作用，且粗糙度越小减阻效果越好，粗糙度为1/2 000时减阻效果最好，减阻率可达3.5%.由此可见在翼型前段越小尺寸的V型结构更有利于阻力减小的实现.

通过对比图4中光滑翼面与粗糙度为1/1 000,1/1 500,1/2 000的湍流强度云图可以发现当V型结构布置在翼型前端,粗糙度达到1/1 000时,其湍流强度基本与光滑翼面的湍流强度一致,粗糙度再次减小,湍流强度也不再发生明显的变化．但相比较于光滑翼型表面,由于V型结构的存在,使得翼型表面一直存在与V型结构等深的低湍流强度的流体层,这层流体的存在如同增加了翼型表面的黏性底层,使得流体与翼型表面的黏性阻力减小,从而达到了减阻的效果．

表2不同粗糙度的V型结构布置在翼型前段的减阻率

Tab.2 V-shaped structure with different roughness arranged in the front section of the airfoil

结构类型Cd减阻率η/% 光滑0.005 746 60 1/1000.007 476 7-30.1 1/2000.006 578 4-14.5 1/5000.006 062 8-5.5 1/1 0000.005 670 21.3 1/1 5000.005 650 91.7 1/2 0000.005 541 13.5

表3为将不同粗糙度的V型结构布置在翼型中段(图2(c))的减阻率.通过对比布置有V型结构的翼型与光滑表面翼型的湍流强度云图(图5)可发现，Re=3×105时，将V型结构布置在翼型中段与布置在翼型前段，其减阻效果相近，仅粗糙度为1/1 000、1/1 500、1/2 000的V型结构具有减阻的作用，在粗糙度为1/1 500时减阻效果最好，可达2.7%. 相比较粗糙度为1/1 500的V型结构，当粗糙度为1/2 000时反而出现阻力增加的现象.

如图2(d)所示,将V型结构布置于翼型后段,通过数值计算得到如表4所示不同粗糙度的V型结构的减阻率．通过对比发现粗糙度为1/1 000、1/1 500、1/2 000的V型结构具有减阻效果,较大粗糙度的V型结构依然不具有减阻的效果．但相对于布置在其他3种位置处的模型,布置在翼型后段3种不同粗糙度的V型结构减阻效果更为明显,当结构粗糙度为1/1 500时减阻效果最佳,可达7.4%,在更小粗糙度的V型结构如1/2 000时,相较于粗糙度为1/1 500的V型结构出现阻力增大的现象．

对比图6(a)与图6(b)中光滑翼型表面流速云图与减阻效果最佳粗糙度为1/1 500的V型结构翼型表面流速云图可发现,当V型结构布置在翼型后段时,使得速度梯度变小,层流更加明显,不同速度层之间更加稳定．对比图6(c)与图6(d)发现,在近壁面处,布置有V型结构表面的湍动能梯度明显比光滑表面的湍动能梯度小,在近壁面区更不易发生强烈的湍流耗散．

通过以上计算发现,布置在全翼型表面的V型结构并无减阻效果,反而会使阻力增加．但当布置于翼型前、中、后部分时,小粗糙度的V型结构出现减阻的效果,尤其布置于翼型后段,粗糙度为1/1 500的V型结构减阻效果最为明显,最大减阻可达7.4%．而且通过实验发现小尺寸的V型结构使翼型壁面处的层流现象更加明显．因此,具有减阻作用的V型结构表面的流体流动更加平稳,不易出现流动分离现象．

表3不同粗糙度的V型结构布置在翼型中段的减阻率

Tab.3 The reduction rate of the V-shaped structure with dif-ferent roughness in the middle section of the airfoil

结构类型Cd减阻率η/% 光滑0.005 724 70 1/1000.006 928 3-20.6 1/2000.006 592 5-14.7 1/5000.005 965 7-3.8 1/1 0000.005 631 42.0 1/1 5000.005 590 22.7 1/2 0000.005 613 22.3

表4不同粗糙度的V型结构布置在翼型后段的减阻率

Tab.4 The reduction rate of the V-shaped structure with diff-erent roughness in the rear section of the airfoil

结构类型Cd减阻率η/% 光滑0.005 724 70 1/1000.006 964 7-21.2 1/2000.005 854 0-1.9 1/5000.005 739 30.1 1/1 0000.005 363 84.8 1/1 5000.005 319 37.4 1/2 0000.005 328 87.2

2.2 流动特性分析

压差阻力与黏性阻力是翼型表面阻力构成的两大因素．如图3所示,由于V型结构的存在,在其前端产生较大的水流压力,而其后端由于水流不能及时回流,水流密度相对较小形成负压,由于压力差的存在形成稳定的压差阻力,导致水流在V型结构内出现由高压区向低压区流动的现象．同时由于这种压力差值的存在,增加了翼型表面的压差阻力．粗糙度较大的V型结构使得结构前后压力差值增大,较大的压差阻力导致整体阻力上升．

V型结构之间的结构间隙使得来流在结构与结构之间形成二次漩涡,产生类同机械上的“滚动轴承”[17]效应(图7),水流与漩涡的流向相同,在漩涡区产生负压抽吸作用使得靠近漩涡的流体被吸附在漩涡表面,从而使翼型表面的黏性底层变厚,由此减少了翼型表面整体的黏性阻力．小尺寸的V型结构增加了翼型表面涡的数量,使得水流与翼型表面的接触更少,有效减小了翼型表面的黏性阻力．当V型结构尺寸非常小时,结构间的涡会明显变小,导致“滚动轴承”的效应减弱,会表现出黏性阻力增加的现象．

3 结 论

本文通过数值模拟研究了翼型表面不同位置处的V型结构的减阻机理,得到以下的结论:

(1)将V型结构布置在整个翼型表面时没有减阻效果,原因是在整个翼型表面压差阻力始终存在,虽小尺寸的V型结构具有减小黏性阻力的作用,相比较其产生的压差阻力不足以使整个翼型的阻力降低以达到减阻的目的．

(2)当V型结构布置在翼型前、中、后3个位置时,粗糙度1/1 000～1/2 000的V型结构具有减阻效果,综合3个位置处的减阻率,当V型结构粗糙度为1/1 500布置在翼型后段时减阻效果最佳,最大减阻率可达7.4%．

(3)对比数值模拟湍动能云图可发现,具有减阻效果的V型结构使得翼型表面的湍动能稳定,使得靠近壁面的黏性底层厚度增加,整体湍流强度不会发生剧烈的变化,因此考虑V型结构的存在对壁面处湍流耗散控制具有一定的效果．