牟介剛,劉　劍,谷云慶,代東順,鄭水華,吳登昊

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,浙江 杭州310014；2.浙江工業(yè)大學(xué) 之江學(xué)院,浙江 杭州310014)

?

仿生蝸殼離心泵內(nèi)部非定常流動(dòng)特性分析

牟介剛1,劉劍1,谷云慶1,代東順1,鄭水華1,吳登昊2

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,浙江 杭州310014；2.浙江工業(yè)大學(xué) 之江學(xué)院,浙江 杭州310014)

摘要:為了改善離心泵內(nèi)部流場(chǎng)的非定常流動(dòng)特性,基于仿生學(xué)原理構(gòu)建仿生非光滑表面蝸殼,利用滑移網(wǎng)格技術(shù)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)蝸殼、仿生蝸殼離心泵內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行非定常計(jì)算,研究不同時(shí)刻下不同蝸殼離心泵靜壓場(chǎng)及速度場(chǎng)的差異,對(duì)比不同蝸殼離心泵壓水室內(nèi)壓力脈動(dòng)特性.結(jié)果表明：在不同時(shí)刻下,仿生蝸殼擴(kuò)散段內(nèi)靜壓分布更均勻、壓力梯度更小,速度方向、大小基本保持一致,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)蝸殼更不易出現(xiàn)漩渦、二次流及邊界層分離現(xiàn)象；葉片掃過隔舌瞬間,仿生蝸殼葉輪流道內(nèi)流線分布相對(duì)更對(duì)稱；一個(gè)周期內(nèi),仿生蝸殼離心泵壓力脈動(dòng)最大與最小處的脈動(dòng)幅值均明顯降低.說明仿生蝸殼能改善離心泵內(nèi)部非定常流場(chǎng),且對(duì)壓水室內(nèi)壓力脈動(dòng)有明顯的抑制作用.

關(guān)鍵詞：離心泵；仿生蝸殼；流場(chǎng)；非定常流動(dòng)；壓力脈動(dòng)

離心泵作為一種通用機(jī)械,廣泛應(yīng)用于各行各業(yè).但由于過流部件較為復(fù)雜,同時(shí)伴隨著葉輪與蝸殼之間的動(dòng)靜干涉,使得離心泵內(nèi)部呈現(xiàn)復(fù)雜的三維非穩(wěn)態(tài)湍流[1-2].且非定常流體引起的水力激勵(lì)及動(dòng)靜干涉帶來的壓力脈動(dòng),會(huì)誘導(dǎo)流體振動(dòng),從而影響離心泵工作性能,嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞系統(tǒng)設(shè)備.

若要提高離心泵工作穩(wěn)定性,需要對(duì)內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律深入研究[3-4].當(dāng)前針對(duì)離心泵內(nèi)部非定常流場(chǎng)的研究主要集中在壓力脈動(dòng)及徑向力脈動(dòng)特性2方面.崔寶玲等[5]分析了復(fù)合葉輪離心泵內(nèi)的非定常流動(dòng)特性,認(rèn)為離心泵內(nèi)部壓力和速度在時(shí)間上呈現(xiàn)高度非定常性,在空間上呈現(xiàn)高度非對(duì)稱性.裴吉等[6]對(duì)低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵內(nèi)部非定常不穩(wěn)定流動(dòng)現(xiàn)象的內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行深入研究,結(jié)論表明葉輪葉片背面相對(duì)速度及葉片后緣尾跡現(xiàn)象隨時(shí)間變化明顯,且葉輪出口處流動(dòng)周期性較強(qiáng).通過對(duì)離心泵葉輪與蝸殼耦合的三維流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬,郭鵬程等[7]證實(shí)了蝸殼與葉輪間的相互作用會(huì)引起離心泵全流場(chǎng)的不對(duì)稱性.王玉川等[8]在對(duì)離心泵葉輪區(qū)瞬態(tài)流動(dòng)特性進(jìn)行研究后,發(fā)現(xiàn)葉輪出口處附近隨時(shí)間變化的漩渦是內(nèi)部流場(chǎng)不均勻的主要原因.雖然以上文獻(xiàn)都對(duì)離心泵內(nèi)部非定常流場(chǎng)進(jìn)行了一定程度探討,但并未提出較為創(chuàng)新的水力結(jié)構(gòu).仿生技術(shù)作為一種較為成熟的技術(shù),被應(yīng)用于各個(gè)行業(yè),但在離心泵行業(yè)尚處于探索階段.任露泉等[9]為了提升離心泵效率,在葉輪區(qū)域采用仿生非光滑技術(shù),結(jié)論表明仿生技術(shù)具有明顯增效作用.Tian等[10]則模仿海豚特殊皮膚結(jié)構(gòu)在離心泵葉輪表面應(yīng)用仿生耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)行水泵增效研究,試驗(yàn)證明確能降低離心泵水力損失.上述研究證明仿生技術(shù)可以被應(yīng)用于離心式的相關(guān)領(lǐng)域,但針對(duì)離心泵內(nèi)仿生技術(shù)的研究主要集中在葉輪區(qū)域,在蝸殼區(qū)域應(yīng)用仿生技術(shù)的文獻(xiàn)未見報(bào)道.

為了改善離心泵內(nèi)部非定常流場(chǎng)的流動(dòng)特性,運(yùn)用仿生學(xué)原理,提取生物原型中的非光滑體表特征形態(tài),建立仿生蝸殼結(jié)構(gòu)模型.本文通過數(shù)值模擬的方法,對(duì)比分析不同時(shí)刻標(biāo)準(zhǔn)蝸殼與仿生蝸殼對(duì)泵內(nèi)部流場(chǎng)的影響,并在離心泵壓水室各斷面設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn),研究仿生蝸殼對(duì)整個(gè)離心泵壓水室脈動(dòng)特性的影響.

1數(shù)值模型與計(jì)算方法

1.1生物原型與計(jì)算模型

經(jīng)過億萬年的生物進(jìn)化,自然界中有些生物具有適應(yīng)環(huán)境的體表特征.長(zhǎng)耳鸮可以在撲食過程中實(shí)現(xiàn)高速靜音飛行,經(jīng)研究表明其獨(dú)特的體表消音降噪特性得益于其體表羽翼的特殊結(jié)構(gòu)[11].如圖1(a)所示為長(zhǎng)耳鸮生物原型,其羽翼邊緣基本都呈現(xiàn)非光滑圓弧形態(tài),前后緣則呈現(xiàn)宏觀正弦曲線形態(tài).長(zhǎng)耳鸮的該特殊形態(tài)翼型目前被主要應(yīng)用于離心式風(fēng)機(jī)中對(duì)氣流噪聲的控制作用方面[12-14],基于兩者工作原理及結(jié)構(gòu)基本類似,故將長(zhǎng)耳鸮翼前緣非光滑特征形態(tài)融合于離心泵蝸殼的水力設(shè)計(jì)中.

研究過程中選取IS80-50-250為原型泵,在設(shè)計(jì)工況下,基本參數(shù)為：流量qm=50 m3/h,揚(yáng)程H=80 m,轉(zhuǎn)速n=2 900 r/min,葉輪相關(guān)參數(shù)為葉輪進(jìn)口直徑D1=80 mm,葉輪出口直徑D2=252 mm,葉片出口寬度b=6.5 mm,葉片數(shù)Z=5.基于長(zhǎng)耳鸮翼型形態(tài)參數(shù)[14],并結(jié)合蝸殼的設(shè)計(jì)要求,最終確定仿生非光滑表面蝸殼結(jié)構(gòu)的具體參數(shù).其中：非光滑單元高度h=3～7 mm,非光滑間隔s=26～42 mm,且兩者滿足比值處于0.1～0.2的關(guān)系,非光滑單元個(gè)數(shù)為2個(gè).該仿生蝸殼的具體結(jié)構(gòu)主要分布在離心泵內(nèi)部流場(chǎng)最為復(fù)雜的部位,即從蝸殼隔舌頭部沿蝸殼圓周方向延伸到蝸殼第Ⅰ斷面附近[15].所得仿生非光滑蝸殼的縱截面輪廓形狀為線性正弦曲線(原蝸殼輪廓曲線為該線性正弦曲線的中線),起點(diǎn)位于隔舌與基圓相切處、終點(diǎn)延伸至蝸殼壓水室的第Ⅰ斷面與第Ⅱ斷面之間,并且第Ⅰ斷面的形狀面積與原第Ⅰ斷面的形狀面積必須保持一致.監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布在壓水室各重要斷面處,共12點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)各斷面序號(hào)為P1、P2、…、P12模型及監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意圖如圖1(b)所示.

圖1　實(shí)物及模型示意圖Fig.1　Schematic diagram of entity and model

1.2控制方程及邊界條件

離心泵內(nèi)部流動(dòng)為復(fù)雜的三維黏性湍流流場(chǎng),基于此,在數(shù)值模擬計(jì)算中選用RNGk-ε湍流模型[16-17],方程為

(1)

(2)

(3)

采用ICEM對(duì)離心泵計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分,其中計(jì)算域包含進(jìn)水管、葉輪、蝸殼、出水管4部分.葉輪和蝸殼部分選用適應(yīng)性強(qiáng)的四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,并在隔舌及仿生蝸殼處進(jìn)行局部加密處理.通過對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行無關(guān)性分析,綜合揚(yáng)程的理論值及計(jì)算機(jī)資源,可知當(dāng)網(wǎng)格數(shù)大于或等于100萬左右時(shí),揚(yáng)程相對(duì)于網(wǎng)格數(shù)的波動(dòng)保持在0.2%以內(nèi).最終確定標(biāo)準(zhǔn)蝸殼和仿生蝸殼情況下理論模型計(jì)算域網(wǎng)格總數(shù)分別為102萬和120萬.

采用CFX設(shè)置離心泵計(jì)算域的邊界條件,進(jìn)口邊界選用速度進(jìn)口,出口邊界為自由出流邊界；固壁均設(shè)置為無滑移邊界,壁面粗糙度設(shè)置為0.03 mm；流體介質(zhì)為常溫常壓下水.在定常計(jì)算時(shí),葉輪交界面選用凍結(jié)轉(zhuǎn)子模型.在非定常計(jì)算時(shí),葉輪交界面采用瞬態(tài)動(dòng)靜轉(zhuǎn)子模型,以定常的結(jié)果文件為初始條件.非定常時(shí)間步長(zhǎng)定義為葉輪每旋轉(zhuǎn)3°所需時(shí)間,葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為48.33 Hz,則葉片通過頻率為241.7 Hz.計(jì)算周期為6周,選取第6周的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.

2離心泵非定常流動(dòng)特性分析

2.1中截面靜壓場(chǎng)分析

圖2　蝸殼中截面靜壓場(chǎng)Fig.2　Contours of static pressure of volute on cross section

離心泵葉輪包含5個(gè)葉片,定義葉輪每旋轉(zhuǎn)72°為一個(gè)計(jì)算周期T.一個(gè)周期T內(nèi),不同時(shí)刻標(biāo)準(zhǔn)蝸殼與仿生蝸殼中截面靜壓等值線分布如圖2所示,圖中,p為靜壓、t為時(shí)間,FS為仿生蝸殼離心泵、BZ為標(biāo)準(zhǔn)蝸殼離心泵.由圖2可知,由于葉輪與蝸殼之間的動(dòng)靜干涉作用,以及蝸殼的不同型式,使得葉輪與蝸殼內(nèi)靜壓分布呈現(xiàn)不同的趨勢(shì)：在不同時(shí)刻下,葉片相對(duì)于隔舌處于不同位置時(shí),仿生蝸殼離心泵內(nèi)流場(chǎng)更優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)蝸殼離心泵,尤其表現(xiàn)在擴(kuò)散段內(nèi),仿生蝸殼擴(kuò)散段內(nèi)靜壓分布更均勻、壓力梯度更小,標(biāo)準(zhǔn)蝸殼擴(kuò)散段內(nèi)靜壓則分布更分散,更容易形成漩渦及二次流；當(dāng)葉片掃過隔舌瞬間時(shí),離心泵內(nèi)部靜壓分布相對(duì)于其他時(shí)刻更大,此時(shí)隔舌區(qū)域的靜壓顯示為整個(gè)中截面上最大,而葉輪進(jìn)口低壓區(qū)是一個(gè)周期中最小的時(shí)刻；葉片遠(yuǎn)離隔舌,離心泵整體靜壓開始減小,進(jìn)口區(qū)域的低壓區(qū)卻開始增大,當(dāng)位于時(shí)刻t=2/4T時(shí),泵整體靜壓處于最低值,葉輪進(jìn)口低壓區(qū)域最大.這是因?yàn)楫?dāng)葉輪與隔舌相距最近時(shí),兩者間隙最小使前一個(gè)葉片流道內(nèi)流體無法通過間隙向蝸殼喉部排出,而是由葉輪流道被甩出后,直接形成對(duì)蝸殼壁的沖擊,產(chǎn)生強(qiáng)烈的水力激勵(lì)以及漩渦,即表現(xiàn)為隔舌區(qū)域最大靜壓.而仿生蝸殼非光滑結(jié)構(gòu)則形成流體彈性區(qū)域,對(duì)流體的沖擊其緩沖作用,吸收其壓力能,同時(shí)能抑制流體漩渦的形成,從而造成仿生蝸殼非光滑結(jié)構(gòu)上突結(jié)構(gòu)處靜壓最大,但整泵內(nèi)流場(chǎng)更穩(wěn)定,尤其表現(xiàn)在擴(kuò)散段.說明仿生非光滑蝸殼結(jié)構(gòu)能有效的改善離心泵非定常流場(chǎng).

2.2中截面速度場(chǎng)分析

一個(gè)計(jì)算周期T內(nèi),不同時(shí)刻標(biāo)準(zhǔn)蝸殼與仿生蝸殼中截面速度等值線分布如圖3所示,圖中,v為速度.不同型式蝸殼,在不同時(shí)刻葉輪區(qū)域的速度分布基本一致,但在擴(kuò)散段內(nèi)速度分布呈現(xiàn)較大的差別：在不同時(shí)刻下,葉片相對(duì)于隔舌處于不同位置時(shí),仿生蝸殼離心泵擴(kuò)散段內(nèi)流動(dòng)特性更優(yōu)異,速度分布更均勻,盡管在擴(kuò)散段入口處會(huì)形成漩渦,但擴(kuò)散段中部或出口處速度分布基本一致,有利于流體流動(dòng),標(biāo)準(zhǔn)蝸殼擴(kuò)散段內(nèi)速度分布較為混亂,且擴(kuò)散段壁面邊界層分離嚴(yán)重,造成整個(gè)擴(kuò)散段內(nèi)均會(huì)產(chǎn)生漩渦及二次流,較嚴(yán)重地阻礙了流體的出流情況,且大量的漩渦及二次流會(huì)極大消耗流體的能量；當(dāng)葉片掃過隔舌瞬間時(shí),仿生蝸殼擴(kuò)散段入口處低速區(qū)最大,速度梯度大,容易形成大漩渦,但沿著擴(kuò)散段出流到出口處,仿生蝸殼擴(kuò)散段低速區(qū)逐漸減小,整個(gè)擴(kuò)散段內(nèi)速度分布更加均勻,更利于流體流動(dòng)；標(biāo)準(zhǔn)蝸殼在整個(gè)擴(kuò)散段內(nèi)壁面邊界層分離現(xiàn)象十分嚴(yán)重,低速區(qū)混亂分布,甚至在出口處也會(huì)形成漩渦,極大的影響流體出流.

圖3　葉輪中截面速度場(chǎng)Fig.3　Contours of velocity of volute on cross section

2.3中截面流線分析

對(duì)比葉片掃過隔舌瞬間與遠(yuǎn)離隔舌的各不同時(shí)刻發(fā)現(xiàn),蝸殼、葉輪區(qū)域的相對(duì)速度分布情況變化不大.現(xiàn)取仿生蝸殼與標(biāo)準(zhǔn)蝸殼中葉片掃過隔舌瞬間,蝸殼與葉輪中截面的相對(duì)速度流線圖對(duì)比分析,其中蝸殼與葉輪等間距樣本均取為200,即流線密度一致,如圖4所示.由圖4(a)可知,流體進(jìn)入擴(kuò)散段后,流場(chǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重的分化.順著擴(kuò)散段流線方向,流場(chǎng)一分為二,擴(kuò)散段右側(cè)流體流動(dòng)順暢,但出流面積逐漸縮小,左側(cè)流體流動(dòng)混亂,出流面積卻逐漸增大；標(biāo)準(zhǔn)蝸殼擴(kuò)散段相比仿生蝸殼,其擴(kuò)散段左側(cè)流場(chǎng)更為混亂無序,流線形成方向不一致的曲線預(yù)示著該流域?qū)a(chǎn)生大量漩渦或二次流,仿生蝸殼擴(kuò)散段左側(cè)雖然存在一個(gè)局部漩渦,但其擴(kuò)散段中部及出口處流場(chǎng)方向基本保持一致,說明該流域流動(dòng)較為均勻.由圖4(b)可知,流體在流經(jīng)葉輪流道時(shí),在每一葉片壓力側(cè)中部會(huì)形成明顯的漩渦,仿生蝸殼葉輪5個(gè)漩渦大小、形狀一致,且漩渦速度基本一致；標(biāo)準(zhǔn)蝸殼葉輪中5個(gè)漩渦卻并未呈現(xiàn)中心對(duì)稱狀態(tài),靠近隔舌的2個(gè)葉片處的漩渦形狀較小,且對(duì)應(yīng)的速度大于其他3個(gè)漩渦.這將改變整個(gè)葉輪流場(chǎng)的分布,使其壓力脈動(dòng)及受力不均勻,從而影響離心泵的運(yùn)行.其原因是由于葉片掃過隔舌時(shí),阻礙了上一葉片流道內(nèi)流體的出流,使其直接撞擊蝸殼形成漩渦,漩渦同時(shí)對(duì)葉輪流道產(chǎn)生反作用,而仿生蝸殼則由于彈性區(qū)域吸收了部分沖擊能量,大量減緩了漩渦對(duì)葉輪區(qū)域的影響.這說明在采用仿生蝸殼時(shí),可以明顯改善蝸殼內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài),且使葉輪內(nèi)流場(chǎng)分布相對(duì)更為均勻、對(duì)稱.

圖4　中截面流線圖Fig.4　Flow streamline on cross section

3壓水室脈動(dòng)特性分析

3.1各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)

如圖5所示為設(shè)計(jì)工況下所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)在一個(gè)計(jì)算周期內(nèi)的壓力脈動(dòng)分布.由圖5(a)、(b)可知,壓水室第Ⅰ到第Ⅷ斷面的壓水室處壓力脈動(dòng)幅值波動(dòng)更明顯,特別是第Ⅰ斷面脈動(dòng)幅值為所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)中脈動(dòng)幅值最大處,而擴(kuò)散段的4個(gè)斷面處壓力脈動(dòng)則相對(duì)更穩(wěn)定,尤其是第Ⅸ斷面脈動(dòng)幅值為所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)中脈動(dòng)幅值最小處.由圖2或圖3中云圖可以很好地解釋上述現(xiàn)象,由于隔舌與葉輪之間的動(dòng)靜干涉,使液流受到?jīng)_擊作用發(fā)生邊界層分離,以及葉片出口的的“射流-尾跡”等因素的影響,離心泵內(nèi)壓力脈動(dòng)最強(qiáng)烈處沿流體偏移到了第Ⅰ斷面附近；而擴(kuò)散段進(jìn)口處流體的流動(dòng)狀態(tài)良好,并沒有如同擴(kuò)散段中部出現(xiàn)大量的漩渦擾動(dòng),使得第Ⅸ斷面處壓力脈動(dòng)處于整個(gè)離心泵內(nèi)較低值.

圖5　各截面壓力脈動(dòng)分布Fig.5　Distribution of pressure pulsation on all sections

圖6　壓力脈動(dòng)時(shí)域圖與頻域圖Fig.6　Time-domain and frequency-domain diagram of pressure pulsation

3.2脈動(dòng)幅值最大與最小截面

基于同一周期內(nèi),仿生蝸殼與標(biāo)準(zhǔn)蝸殼各對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處壓力脈動(dòng)特性分布趨勢(shì)基本類似,故分別取壓力脈動(dòng)幅值波動(dòng)最大處(P1)與最小處(P9)監(jiān)測(cè)點(diǎn)具體分析.如圖6(a)、(b)所示分別為不同蝸殼離心泵P1處壓力脈動(dòng)時(shí)域圖與頻域圖,如圖6(c)、(d)所示則分別為不同蝸殼離心泵P9處壓力脈動(dòng)時(shí)域圖與頻域圖,其中A為監(jiān)測(cè)點(diǎn)靜壓脈動(dòng)幅值.由圖6(a)、(c)可知,不同蝸殼離心泵壓水室內(nèi)靜壓分布呈現(xiàn)明顯的周期性,且周期數(shù)與葉片數(shù)相當(dāng)；當(dāng)采用仿生蝸殼時(shí),P1處壓力值時(shí)而高于標(biāo)準(zhǔn)蝸殼,時(shí)而低于標(biāo)準(zhǔn)蝸殼,但同一周期內(nèi),仿生蝸殼P1處壓力值標(biāo)準(zhǔn)差為73 468,標(biāo)準(zhǔn)蝸殼則為79 857；當(dāng)采用仿生蝸殼時(shí),其壓力幅值及平均值均比標(biāo)準(zhǔn)蝸殼小2倍有余.這說明采用仿生蝸殼時(shí),P1、P9處壓力脈動(dòng)較標(biāo)準(zhǔn)蝸殼更穩(wěn)定.由圖6(b)、(d)可知,不同蝸殼離心泵P1處主頻均為240.8 Hz,與葉片通過頻率241.7 Hz一致；采用仿生蝸殼時(shí)P1處主頻脈動(dòng)幅值相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)蝸殼時(shí)降低了8.6%,在次主頻(481.7 Hz)處降低了10.3%,在3階主頻(963.4 Hz)處則降低了20.1%,在高頻處也相對(duì)低于標(biāo)準(zhǔn)蝸殼；P9處脈動(dòng)幅值除了在主頻處稍低于標(biāo)準(zhǔn)蝸殼,高頻處基本高于標(biāo)準(zhǔn)蝸殼,但由于采用仿生蝸殼時(shí),P9處壓力數(shù)值遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)蝸殼,故其壓力脈動(dòng)幅值的少許上升對(duì)該處流場(chǎng)或整個(gè)離心泵內(nèi)流場(chǎng)的影響甚微.綜上所述,當(dāng)采用仿生蝸殼時(shí),可明顯改善其壓水室內(nèi)壓力脈動(dòng)特性.

4結(jié)論

(1)在不同時(shí)刻下,仿生蝸殼離心泵內(nèi)流場(chǎng)更優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)蝸殼,尤其表現(xiàn)在擴(kuò)散段及葉輪處,相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)蝸殼更不易出現(xiàn)漩渦及邊界層分離現(xiàn)象.

(2)在不同時(shí)刻下,仿生蝸殼擴(kuò)散段入口處容易形成大漩渦,但沿著擴(kuò)散段出流到出口處低速區(qū)逐漸減小,速度分布更加均勻,更利于流體流動(dòng),標(biāo)準(zhǔn)蝸殼擴(kuò)散段在整個(gè)擴(kuò)散段均表現(xiàn)為混亂分布的低速區(qū)及嚴(yán)重的邊界層分離現(xiàn)象,極大的影響流體出流.

(3)葉片掃過隔舌瞬間,流體在流經(jīng)葉輪流道時(shí),仿生蝸殼可以明顯改善蝸殼內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài),且使葉輪內(nèi)流場(chǎng)分布相對(duì)更為均勻、對(duì)稱.

(4)在同一周期內(nèi),當(dāng)采用仿生蝸殼時(shí),壓水室壓力脈動(dòng)最大處P1處壓力值標(biāo)準(zhǔn)差降低了8.7%；壓力脈動(dòng)最小處P9處壓力幅值及平均值均比標(biāo)準(zhǔn)蝸殼小2倍有余；當(dāng)采用仿生蝸殼時(shí)，P1、P9處壓力脈動(dòng)較標(biāo)準(zhǔn)蝸殼更穩(wěn)定.

參考文獻(xiàn)(References):

[1]TAN L, CAO S L, WANG Y M, et al. Direct and inverse iterative design method for centrifugal pump impellers [J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy, 2012, 226(6): 764-775．

[2]王樂勤, 劉錦濤, 張樂福, 等. 水泵水輪機(jī)泵工況小流量波動(dòng)特性[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版, 2011, 45(7): 1239-1243．

WANG Le-qin, LIU Jin-tao, ZHANG Le-fu, et al. Low flow’s fluctuation characteristics in pump-turbine’s pump mode [J]. Journal of Zhejiang University: Engineering Science, 2011, 45(7): 1239-1243．

[3]RAUL B, JORGE P, EDUARDO B. Numerical analysis of the unsteady flow in the near-tongue region in a volute-type centrifugal pump for different operating points [J]. Computer & Fluids, 2010, 39(5): 859-870．

[4]ANDREAS L, GUNTHER B. Numerical simulation and evaluation of velocity fluctuation during rotating stall of a centrifugal pump[J]. Journal of Fluids Engineering, 2011, 133(8): 081102．

[5]崔寶玲, 許文靜, 朱祖超, 等. 低比轉(zhuǎn)數(shù)復(fù)合葉輪離心泵內(nèi)的非定常流動(dòng)特性[J]. 化工學(xué)報(bào), 2011, 62(11): 3093-3100．

CUI Bao-ling, XU Wen-jing, ZHU Zu-chao, et al. Unsteady flow characteristics in low-specific-speed centrifugal pump with complex impeller [J]. Journal of Chemical Industry and Engineering, 2011, 62(11): 3093-3100．

[6]裴吉, 王文杰, 袁壽其, 等. 低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵內(nèi)部非定常流動(dòng)特性數(shù)值預(yù)測(cè)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2014, 45(1): 79-83．PEI Ji, YUAN Shou-qi, WANG Wen-jie, et al. Numerical prediction of inner flow unsteadiness in a low-specific speed centrifugal pump[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(1): 79-83．

[7]郭鵬程, 羅興锜, 劉勝柱. 離心泵內(nèi)葉輪與蝸殼內(nèi)耦合流動(dòng)的三維紊流數(shù)值模擬[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2005, 21(8): 1-5．

GUO Peng-cheng, LUO Xing-qi, LIU Sheng-zhu. Numerical simulation of 3D turbulent flow fields through a centrifugal pump including impeller and volute casing [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2005, 21(8): 1-5．

[8]王玉川, 譚磊, 曹樹良, 等. 離心泵葉輪區(qū)瞬態(tài)流動(dòng)及壓力脈動(dòng)特性[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2014, 50(10): 163-169．

WANG Yu-chuan, TAN Lei, CAO Shu-liang, et al. Characteristics of transient flow and pressure fluctuation in impeller for centrifugal pump [J]. Journal of Mechanical Engineering, 2014, 50(10): 163-169．

[9]任露泉, 彭宗堯, 陳慶海, 等. 離心式水泵仿生非光滑增效的試驗(yàn)研究[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版, 2007, 37(3): 575-581．

REN Lu-quan, PENG Zong-yao, CHEN Qing-hai, et al. Experimental study on efficiency enhancement of centrifugal water pump by bionic non smooth technique[J]. Journal of Jilin University: Engineering and Technology Edition, 2007, 37(3): 575-581．

[10]TIAN L M, GAO Z H, REN L Q, et al. The study of the efficiency enhancement of bionic coupling centrifugal pumps [J]. Journal Brazilian Society Mechanical Sciences and Engineering, 2013, 35(4): 517-524．

[11]CHARLES L, RICHARD T. Reynolds responses of mexican spotted owls to low-flying military jet aircraft[J]. USDA Forest Service Research Note, 2002, 12: 126-139．

[12]孫少明, 任露泉, 徐成宇. 長(zhǎng)耳鸮皮膚和覆羽耦合吸聲降噪特性研究[J]. 噪聲與振動(dòng)控制, 2008, 28(3): 119-123．

SUN Shao-ming, REN Lu-quan, XU Cheng-yu. Research on coupling sound absorption property of owl skin and feather [J]. Noise and Vibration Control, 2008, 28(3): 119-123.

[13]黃恩德, 楚武利, 屈凱東, 等. 離心風(fēng)機(jī)仿生蝸舌降噪效果試驗(yàn)研究[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2014, 36(11): 75-79．

HUANG En-de, CHU Wu-li, QU Kai-dong, et al. The experiment research about the noise reduction effect of the bionic volute tongue of a centrifugal fan[J]. Ship Science and Technology, 2014, 36(11): 75-79．

[14]孫少明, 徐成宇, 任露泉, 等. 軸流風(fēng)機(jī)仿生葉片降噪試驗(yàn)研究及機(jī)理分析[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版, 2009, 39(2): 382-387．

SUN Shao-ming, XU Cheng-yu, REN Lu-quan, et al. Experimental research on noise reduction of bionic axial fan blade and mechanism analysis [J]. Journal of Jilin University: Engineering and Technology Edition, 2009, 39(2): 382-387．

[15]司巧瑞, 袁壽其, 袁建平, 等. 葉片與隔舌干涉對(duì)離心泵性能和壓力脈動(dòng)影響的數(shù)值研究[J]. 流體機(jī)械, 2012, 40(8):22-26．

SI Qiao-rui, YUAN Shou-qi, YUAN Jian-ping, et al. Effect of interaction between blade and volute tongue of centrifugal pumps on the performance and pressure pulsation [J]. Fluid Machinery, 2012, 40(8):22-26.

[16]GU Y Q, ZHAO G, ZHENG J X, et al. Experimental and numerical investigation on drag reduction of non-smooth bionic jet surface [J]. Ocean Engineering, 2014, 81: 50-57．

[17]TAN L, CAO S L, WANG Y M, et al. Numerical simulation of cavitation in a centrifugal pump at low flow rate [J]. Chinese Physics Letters, 2012, 29(1): 014702-1-4．

Analysis on unsteady flow characteristics in centrifugal pump with bionic volute

MOU Jie-gang1, LIU Jian1, GU Yun-qing1, DAI Dong-shun1,ZHENG Shui-hua1, WU Deng-hao2

(1.CollegeofMechanicalEngineering,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou310014,China;2.ZhijiangCollege,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou310024,China)

Abstract:To improve unsteady internal flow characteristics in centrifugal pump, bionic nonsmooth volute was built based on bionics principle, sliding mesh technology was applied for calculation of unsteady internal flow field in centrifugal pump with standard and bionic volute. Discrepancies for different volutes under different times in pressure and velocity field were investigated and pressure fluctuation characteristics in pumping chamber for different volutes. Results show that the distribution of static pressure and velocity in the diffuser for bionic volute under different times are more uniform, and its are less prone to vortek, secondary flow and boundary separation phenomenons comparing to standard volute. When blade approaches the tongue, the distribution of streamline in impeller is more symmetrical. Pulsating amplitude of max and mix pressure pulsation for bionic volute drops evidently over a period of time. In addition, the structure of bionic volute can improve unsteady internal flow, and restrain pulsating amplitude in pumping chamber obviously．

Key words:centrifugal pump; bionic volute; flow flied; unsteady flow; pulsating amplitude

收稿日期：2015-06-20.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)網(wǎng)址： www.journals.zju.edu.cn/eng

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20140251);浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(LQ15E050005,LQ15E090004).

作者簡(jiǎn)介：牟介剛(1964-),男,教授,博導(dǎo),從事葉片泵流場(chǎng)理論及工程應(yīng)用等研究. ORCID: 0000-0001-5242-4049. E-mail∶mjg1964@zjut.edu.cn通信聯(lián)系人：谷云慶,男,講師. ORCID: 0000-0003-1416-3452. E-mail:guyunqing@hrbeu.edu.cn

DOI:10.3785/j.issn.1008-973X.2016.05.016

中圖分類號(hào)：TB 17

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-973X(2016)05-0927-07