黃明吉，劉圣艷，喬小溪，陳平，劉中海，張曉昊

摩擦磨損與潤滑

離心泵仿生微結(jié)構(gòu)葉片減阻特性的仿真研究

黃明吉1，劉圣艷1，喬小溪1，陳平1，劉中海2，張曉昊3

（1.北京科技大學 機械工程學院，北京 100083；2.長沙迪沃機械科技有限公司，長沙 410205；3.清華大學天津高端裝備研究院，天津 300300）

通過在離心泵葉片表面布置仿生微結(jié)構(gòu)實現(xiàn)離心泵的減阻，并獲得仿生微結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設計參數(shù)。研究利用仿真模擬的方法，采用離心泵的扭矩變化對其減阻性能進行表征，考慮了仿生微結(jié)構(gòu)的形態(tài)、截面形狀和特征高度等結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響規(guī)律，通過分析葉片表面的湍流動能、剪切應力和近壁面層的速度云圖揭示仿生微結(jié)構(gòu)對離心泵減阻特性的影響機理。在3種微結(jié)構(gòu)形態(tài)中，流向溝槽的減阻效果最好；在3種截面形狀的微結(jié)構(gòu)中，矩形截面的減阻效果最好；離心泵減阻率并非隨微結(jié)構(gòu)特征尺寸單調(diào)變化，而是存在最優(yōu)值；所有微結(jié)構(gòu)的減阻率均隨著流量的增加而增加。當葉片表面布置流向、矩形溝槽時離心泵具有最優(yōu)的減阻效果，且在全流量工況范圍流向矩形溝槽結(jié)構(gòu)的最大減阻率為8.39%。葉片表面微結(jié)構(gòu)的布置可以實現(xiàn)離心泵減阻，其減阻機理與近壁面流體流動行為有關。表面微結(jié)構(gòu)可有效降低葉片壁面的速度梯度，使速度沿壁面法線方向過渡更加均勻，且微結(jié)構(gòu)內(nèi)部低速流體層可有效控制和減弱近壁面區(qū)的湍動程度，減少湍流動能損耗；同時微溝槽內(nèi)的反向渦流具有類“滾動軸承”作用，將滑動摩擦轉(zhuǎn)換為滾動摩擦，降低摩擦阻力。

離心泵；仿生微結(jié)構(gòu)；減阻；湍流動能；數(shù)值模擬

我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費國[1-2]，煤炭的開發(fā)和利用推動國民經(jīng)濟的發(fā)展，但煤礦礦床的水文地質(zhì)條件較為復雜，礦井水災的發(fā)生不僅影響正常生產(chǎn)，還會威脅工人人身安全，泵作為一種排水設備在處理煤礦透水事故中發(fā)揮著積極作用。然而泵的耗電量很大[3]，能源利用效率較低，泵在運行過程中存在機械損失以及摩擦和沖擊等引起的水力損失，其中流體流經(jīng)葉輪等過流部件時，由于摩擦引起的水力損失尤為嚴重[4-5]。降低離心泵內(nèi)流體運動阻力，不僅可節(jié)約能源、提高泵運行的穩(wěn)定性，也可降低流動誘導的噪聲。因此，離心泵減阻特性的研究極其重要。

根據(jù)是否需要外部輔助設備和額外能量的輸入，減阻可分為主動控制減阻和被動控制減阻。被動控制減阻方法由于成本較低，符合節(jié)能的目標，在實際應用中更廣泛[6-8]，主要包括疏水表面減阻、聚合物添加劑減阻、柔性壁面減阻和非光滑表面減阻等，其中非光滑表面被認為是被動減阻中最具有潛力的方法。非光滑表面減阻法是受自然界生物的啟發(fā)[8-16]，例如荷葉、鯊魚皮表面[8-12]等，通過在流道壁面加工肋條、溝槽、凹坑或者凸起等仿生微結(jié)構(gòu)，來改變近壁面流動狀態(tài)，重塑湍流邊界層擬序結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)減阻的目的。研究發(fā)現(xiàn)，鯊魚在水中快速游動與其多結(jié)構(gòu)的皮膚密切關系，其皮膚表面具有沿著流向的類溝槽有序排列的微小結(jié)構(gòu)，即膚齒。早在1982年，Walsh等[8]首次發(fā)表了將鯊魚表皮的微結(jié)構(gòu)簡化為不同形狀溝槽進行減阻的試驗研究，結(jié)果表明，溝槽結(jié)構(gòu)能有效地降低壁面摩擦阻力，且減阻效果與溝槽的尺寸和形狀密切相關。

宋保維等[17]數(shù)值模擬研究了棋盤狀微結(jié)構(gòu)疏水表面在湍流狀態(tài)下的減阻特性，結(jié)果顯示，在低雷諾數(shù)下，微結(jié)構(gòu)內(nèi)氣體封存狀態(tài)良好，減阻率最高約為30%。李山等[18]對光滑壁面和溝槽壁面的湍流邊界層流場通過TR-PIV技術(shù)進行了試驗測量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，溝槽降低了壁面摩擦阻力，并且正弦波溝槽的減阻率更大。受鯊魚表皮微溝槽結(jié)構(gòu)啟發(fā)，Martin等[19]研究了刀刃形、鋸齒形和扇貝形3種形狀肋條對流場中平均阻力變化和渦旋結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明，刀刃形的最大減阻可達11.6%。Chen等[20]仿真研究了航空發(fā)動機葉片表面布置微結(jié)構(gòu)的形狀的影響，結(jié)果顯示，微結(jié)構(gòu)葉片表面可明顯降低壓力損失，且三角形織構(gòu)葉片表面的壓力損失較小。Mele等[21]通過CFD仿真研究了肋條結(jié)構(gòu)對渦輪螺旋槳飛機周圍的氣流動力學的影響，結(jié)果顯示，在巡航狀態(tài)下，肋條結(jié)構(gòu)的布置可實現(xiàn)阻力降低13%。

對于表面仿生微結(jié)構(gòu)的減阻機理，目前主要存在“第二渦群”、“突出高度”和“微型空氣軸承”等3種理論?！暗诙u群”理論認為反向旋轉(zhuǎn)的流向渦與溝槽尖頂區(qū)域相互作用可產(chǎn)生小的二次渦，溝槽表面的小肋尖峰能夠加速和增強“第二渦群”的發(fā)展，使得低速條帶向外猝發(fā)隨機渦的幾率減小且程度減弱，使邊界層附近的動量交換減弱，邊界層流體穩(wěn)定性提高，進而使近壁面邊界層附近黏性阻力降低?！巴怀龈叨取崩碚撜J為在“突出高度”以下溝槽內(nèi)的流動，絕大部分為黏性所阻滯，相當于增加了黏性底層的有效厚度[22]，降低了壁面平均速度梯度，從而減小了表面摩擦阻力。潘家正從邊界層渦結(jié)構(gòu)的觀點出發(fā)，提出了邊界層底部“微型空氣軸承”的概念。溝槽內(nèi)形成的“小渦”被溝槽擋住后，滯留在微小溝槽內(nèi)部，充當微型空氣軸承[23]，把空氣與運動物體的滑動摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動摩擦，從而實現(xiàn)減阻效果。

非光滑表面減阻技術(shù)在流體減阻應用中具有廣闊的發(fā)展前景，然而將非光滑表面減阻技術(shù)應用到復雜旋轉(zhuǎn)流體機械離心泵中的研究還比較缺乏。本文以高轉(zhuǎn)速、高揚程離心泵為研究對象，將表面微結(jié)構(gòu)引入到離心泵葉輪葉片表面，通過數(shù)值模擬方法，研究不同形態(tài)、形狀及尺寸的微結(jié)構(gòu)對泵的減阻性能的影響規(guī)律，為泵的減阻設計提供理論指導。

2 數(shù)值模擬

2.1 幾何模型

離心泵的基本設計參數(shù)：流量=240 m3/h，揚程=120 m，轉(zhuǎn)速=3 600 r/min，葉輪進口圓環(huán)截面的外圓直徑j=132 mm，內(nèi)圓直徑為h=60 mm，葉輪出口直徑2=258 mm，葉片數(shù)=6。利用CFturbo軟件建立如圖1a所示的離心泵流場計算域模型（未顯示進出水管部分）。離心泵過流部件主要包括葉輪、蝸殼、進水管和出水管4個部分。為了避免進出口效應的影響，更準確地模擬離心泵的內(nèi)部流場，幾何模型設置進水管的長度為葉輪進口直徑的3倍（198 mm），出水管的長度為蝸殼出口直徑的6倍（630 mm）。

圖1 離心泵計算域模型（a），微結(jié)構(gòu)布置位置（b）和形狀（c），以及橫向肋條（d）、橫向溝槽（e）和流向溝槽（f）3種形態(tài)

2.2 網(wǎng)格劃分及無關化驗證

離心泵過流部件為復雜的三維曲面，葉輪和蝸殼選擇四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，進水管和出水管為圓柱體結(jié)構(gòu)，選擇六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并對葉片表面微結(jié)構(gòu)處的網(wǎng)格進行局部細化加密，具體葉輪流體域的網(wǎng)格劃分如圖2a所示。為保證仿真計算的效率和準確性，對光滑模型泵進行網(wǎng)格無關性驗證，本文選定5組不同的網(wǎng)格數(shù)量，并監(jiān)測其對泵的揚程和效率變化，結(jié)果如圖2b所示。結(jié)果顯示，泵的揚程隨網(wǎng)格數(shù)的增加在一定范圍內(nèi)小幅度波動，且與理論設計值120 m的相對誤差均在1%以內(nèi)；泵的效率隨網(wǎng)格數(shù)量的增加而逐漸增加，當網(wǎng)格數(shù)達到100萬后，效率趨于穩(wěn)定值，并接近理論計算效率的76%。因此在本文的數(shù)值計算中，選擇離心泵模型的網(wǎng)格數(shù)量約為100萬。

圖2 葉輪流體域網(wǎng)格劃分（a）和無關化驗證（b）

2.3 湍流模型和邊界條件

離心泵內(nèi)部流體為復雜的三維湍流流動[25]，存在不同程度的回流、漩渦和脫流等現(xiàn)象，因此仿真采用適應性更強的RNG-湍流模型。該模型考慮了平均流動中的旋轉(zhuǎn)效應，在強旋流動的計算中具有較高的精度，能夠同時滿足高計算精度和短計算時間的要求。同時壁面函數(shù)設置為標準壁面函數(shù)（Standard Wall Functions），葉片表面未考慮壁面粗糙度的影響。

離心泵計算域包括旋轉(zhuǎn)域和靜止域，其中葉輪為旋轉(zhuǎn)域，葉輪轉(zhuǎn)速為3 600 r/min，繞軸旋轉(zhuǎn)方向由右手定則確定，葉輪前后蓋板及葉片與流體接觸面設置為旋轉(zhuǎn)壁面。進口段、蝸殼和出水段為靜止域，進出口壁面及蝸殼壁面設置為靜止壁面。

2.4 性能表征參數(shù)

離心泵通過旋轉(zhuǎn)軸來驅(qū)動葉輪，流體從葉輪流入后沿葉片輪廓流向出口。在內(nèi)部流動時，葉片表面受到的阻力有近壁面區(qū)域的摩擦阻力和前后壁面引起的壓差阻力，綜合考慮2種阻力因素的影響，最終以葉輪的扭矩表現(xiàn)出來。因此，本文將葉輪所受扭矩的變化作為仿生微結(jié)構(gòu)葉片減阻效果的評價指標，其減阻率計算公式為：

表1 入口邊界參數(shù)

Tab.1 The inlet boundary conditions

3 結(jié)果與討論

3.1 仿生微結(jié)構(gòu)形態(tài)和截面形狀的影響

首先研究了不同流量工況下，橫向溝槽、橫向肋條和流向溝槽3種微結(jié)構(gòu)形態(tài)，以及三角形、半圓形和矩形3種微結(jié)構(gòu)截面形狀對離心泵減阻性能的影響規(guī)律。其中微結(jié)構(gòu)的特征寬度為1.0 mm，特征高度為0.5 mm，相鄰微結(jié)構(gòu)的間距均為1 mm，具體仿真參數(shù)如表2所示，仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。

由圖3結(jié)果可知，針對不同截面形狀的微結(jié)構(gòu)，在葉片表面布置流向溝槽的減阻率最高，其次為橫向溝槽，橫向肋條的減阻率最低。同時，針對不同形態(tài)、截面形狀微結(jié)構(gòu)葉片，離心泵的減阻效果隨著流量的增加而逐漸增加。葉片設置有流向溝槽的離心泵在全工況范圍內(nèi)均顯示出減阻效果，當流量為1.0時，矩形流向溝槽結(jié)構(gòu)的離心泵的減阻率最大達3.7%。在全工況范圍來看，在葉片表面布置矩形流向溝槽結(jié)構(gòu)時的減阻率最大為8.39%；而橫向溝槽和橫向肋條結(jié)構(gòu)，在小流量時甚至表現(xiàn)為增阻效果，僅在大流量范圍內(nèi)才具有減阻作用，但橫向矩形溝槽在全工況范圍內(nèi)均表現(xiàn)為減阻效果。

表2 仿生微結(jié)構(gòu)形態(tài)和形狀影響研究模型的參數(shù)

Tab.2 Bionic microstructures with different arrangements and shapes

根據(jù)圖3結(jié)果可知，橫向溝槽和流向溝槽具有較好的減阻效果，因此進一步將圖3的數(shù)據(jù)進行處理，得到了橫向溝槽和流向溝槽2種微結(jié)構(gòu)形態(tài)下，微結(jié)構(gòu)形狀對減阻特性的影響規(guī)律，如圖4所示。結(jié)果顯示，在全工況范圍，在葉片表面布置矩形微結(jié)構(gòu)時減阻效果最好，三角形微結(jié)構(gòu)次之，半圓形微結(jié)構(gòu)的減阻效果相對較差；針對流向溝槽微結(jié)構(gòu)，3種形狀的微結(jié)構(gòu)均可在全工況范圍內(nèi)實現(xiàn)減阻，且微結(jié)構(gòu)的形狀對減阻率的影響程度隨流量的增加而增加；針對橫向溝槽，三角形和半圓形在較小流量0.6時為增阻，其余流量情況均為減阻，且減阻率隨流量的增加而增加。

綜上所述，針對所研究的微結(jié)構(gòu)形狀和形態(tài)，不同形狀的流向溝槽在全流量工況范圍內(nèi)均有一定的減阻效果，且流向矩形溝槽具有最好的減阻率；橫向肋條微結(jié)構(gòu)的減阻效果最差，甚至在小流量范圍工作時表現(xiàn)出增阻效果。

圖3 三角形（a）、半圓形（b）、矩形（c）3種截面形狀下微結(jié)構(gòu)形態(tài)對離心泵減阻率的影響

圖4 橫向溝槽（a）和流向溝槽（b）2種形態(tài)下微結(jié)構(gòu)形狀對離心泵減阻率的影響

離心泵運行過程中，葉輪葉片等過流表面所受到的阻力主要包括摩擦阻力和壓差阻力，其中摩擦阻力是由黏性剪切應力和湍流雷諾應力兩部分組成，湍流雷諾應力是由于流速脈動引起質(zhì)點間的動量交換產(chǎn)生的附加應力，可用湍流動能來反映湍流雷諾應力。為進一步揭示微結(jié)構(gòu)形態(tài)、形狀對離心泵減阻影響的機理，本文分析了葉片表面的剪切應力（主要是由于摩擦阻力引起）、湍流動能和近壁面區(qū)域速度的云圖，結(jié)果如圖5—8所示。為方便分析，微結(jié)構(gòu)葉片的表面剪切應力、湍流動能和近壁面區(qū)域速度云圖的標尺與光滑葉片相同。

圖6為額定流量下，微結(jié)構(gòu)形狀、形態(tài)對離心泵葉片表面剪切應力的影響。結(jié)果顯示，葉片出口處布置表面微結(jié)構(gòu)可以明顯地降低該區(qū)域葉片表面的剪切應力，同時也明顯影響了未布置微結(jié)構(gòu)的葉片壓力面的表面剪切應力。當微結(jié)構(gòu)截面形狀相同時，布置流向溝槽結(jié)構(gòu)的葉片表面的最大剪切應力和高剪切應力分布區(qū)域均最小，布置橫向溝槽結(jié)構(gòu)的葉片表面次之。當微結(jié)構(gòu)布置形態(tài)相同時，矩形微結(jié)構(gòu)表面最大剪切應力和高剪切應力分布區(qū)域均最小，三角形微結(jié)構(gòu)葉片表面次之。微結(jié)構(gòu)的形狀、形態(tài)對葉片表面剪切應力和離心泵減阻率的影響規(guī)律具有很好的一致性。

額定流量下，微結(jié)構(gòu)形狀和形態(tài)對離心泵葉片表面湍流動能的影響如圖7所示。結(jié)果顯示，高湍流動能出現(xiàn)在靠近葉片出口區(qū)域。當微結(jié)構(gòu)截面形狀相同時，布置流向溝槽結(jié)構(gòu)的葉片表面的湍流動能值較小且高湍流動能分布區(qū)域減少，橫向肋條葉片表面的湍流動能和高湍流動能區(qū)域均較大。當微結(jié)構(gòu)形態(tài)相同時，矩形微結(jié)構(gòu)表面湍流動能最小，三角形微結(jié)構(gòu)次之，而半圓形溝槽表面湍流動能最大。同樣，微結(jié)構(gòu)的形狀、形態(tài)對葉片表面湍流動能和離心泵減阻率的影響規(guī)律也具有很好的一致性。

綜合圖6和圖7可以看出，當表面布置有流向矩形溝槽時，葉片表面的剪切應力和湍流動能均較小，因而具有較大減阻率。微結(jié)構(gòu)對葉片表面湍流動能和剪切應力的影響，主要源于微結(jié)構(gòu)對近壁面區(qū)域速度場的改變，如圖8所示。當葉片表面布置橫向肋條時，近壁面區(qū)域的流動紊亂程度明顯高于橫向溝槽表面，流向溝槽表面的湍流程度最小，這表明葉片表面布置流向微溝槽結(jié)構(gòu)可使其附近的湍流程度得到較好控制，且葉片整體的湍動程度均有較為明顯的控制和減弱，從而降低了葉輪內(nèi)流體流動時產(chǎn)生的能量損耗，起到了減阻作用。同時，與流向肋條和橫向溝槽結(jié)構(gòu)相比，流向溝槽明顯降低了近壁面層流體的速度梯度，具有較小的黏性摩擦阻力。針對3種形狀的流向溝槽，其近壁面層的紊流程度和速度梯度均明顯降低，因此均表現(xiàn)出減阻效果。

圖5 光滑葉片的湍流動能（a）、剪切應力（b）和表面速度（c）云圖

圖6 額定流量下微結(jié)構(gòu)形狀、形態(tài)對壁面剪切應力云圖的影響

圖7 額定流量下微結(jié)構(gòu)形狀、形態(tài)對表面湍流動能云圖的影響

圖8 額定流量下微結(jié)構(gòu)形狀、形態(tài)對葉片近壁面區(qū)速度云圖的影響

額定流量時微結(jié)構(gòu)葉片近壁面區(qū)域的跡線見圖9，可知表面微結(jié)構(gòu)會明顯改變近壁面區(qū)域速度場的分布，矩形橫向溝槽和肋條2種形態(tài)的微結(jié)構(gòu)內(nèi)部均產(chǎn)生了渦流結(jié)構(gòu)。布置橫向矩形溝槽的葉片表面，其近壁面區(qū)域內(nèi)湍流的猝發(fā)明顯降低且紊流層厚度減小，同時被限制在溝槽內(nèi)的渦流一定程度起到“滾動軸承”的減阻作用，因此橫向溝槽具有減阻效果。葉片表面布置橫向矩形肋條導致微結(jié)構(gòu)和流體作用初始區(qū)域湍流猝發(fā)情況加劇，使得近壁面紊流層的厚度增加，但在橫向肋條與流體作用的下游，其與橫向溝槽作用類似，具有一定的滾動減阻作用，因此在額定流量時橫向矩形肋條減/增阻效果不明顯。

圖9 矩形橫向肋條（vr-r1）和溝槽（vg-r1）的跡線圖

流體經(jīng)過溝槽結(jié)構(gòu)時，流體的流向會在尖角附近發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而形成反向旋轉(zhuǎn)的渦。由圖10中3種截面形狀的橫向溝槽葉片近壁面區(qū)域的跡線圖可以發(fā)現(xiàn)，3種微結(jié)構(gòu)內(nèi)部均形成了反向渦，根據(jù)“第二渦群”反向旋轉(zhuǎn)的流向渦與溝槽尖頂區(qū)域相互作用可產(chǎn)生小的二次渦，減少低速條帶向外猝發(fā)隨機渦的幾率和程度，即抑制了湍流的產(chǎn)生。不同微結(jié)構(gòu)形狀“二次渦”的位置不同，對葉片近壁面流場的影響程度不同。矩形溝槽有兩個尖角，溝槽谷底間距最大，溝槽頂角為零，因此受到溝槽尖頂?shù)淖璧K而分離出的“二次渦”的位置最高，“二次渦”與溝槽邊界的接觸區(qū)域的面積最小，因此“二次渦”受溝槽尖頂?shù)淖饔昧ψ钚?，應力較高區(qū)域的面積最小；并且矩形溝槽底部層流的厚度最大，使得整個仿生微結(jié)構(gòu)葉片表面的剪應力最低，因此在葉片表面布置矩形溝槽的減阻效果最好。

圖10 3種微結(jié)構(gòu)形狀下橫向溝槽的跡線圖

3.2 仿生微結(jié)構(gòu)尺寸的影響

由圖3和圖4可知，減阻效果位于前三的微結(jié)構(gòu)為流向矩形溝槽結(jié)構(gòu)、流向三角形溝槽結(jié)構(gòu)、橫向矩形溝槽結(jié)構(gòu)，因此進一步選擇這3種微結(jié)構(gòu)以研究微結(jié)構(gòu)尺寸對減阻特性的影響規(guī)律。仿真采用的仿生微結(jié)構(gòu)參數(shù)見表3，結(jié)果如圖11所示。

由圖11可知，針對3種形式的微結(jié)構(gòu)，當微溝槽高度為0.5 mm時，3組微結(jié)構(gòu)的減阻效果均最好，其次是溝槽高度為0.75 mm的，溝槽高度為0.25 mm的減阻率最小。微結(jié)構(gòu)高度尺寸對減阻率的影響程度隨著流量的增加而增加。當葉片表面布置微流向矩形溝槽時，微結(jié)構(gòu)的高度尺寸對其減阻率的影響程度較低。當表面布置微橫向矩形溝槽時，微結(jié)構(gòu)高度的影響程度較大。

表3 微結(jié)構(gòu)尺寸影響研究的模型參數(shù)

圖11 橫向矩形溝槽（a）、流向三角溝槽（b）和流向矩形溝槽（c）條件下微結(jié)構(gòu)高度對離心泵減阻率的影響。

根據(jù)圖11結(jié)果，進一步分析橫向矩形溝槽的高度影響減阻效果的機理。溝槽尺寸對減阻率的影響與溝槽中的流動形態(tài)有關，圖12給出了橫向矩形溝槽3種高度時微結(jié)構(gòu)內(nèi)部的跡線圖。結(jié)果顯示，當微結(jié)構(gòu)高度=0.25 mm時，由于溝槽的寬高比過大，在溝槽內(nèi)部沒有形成明顯的流動渦，對近壁面區(qū)流動的抑制作用較弱，減阻率最小。當微結(jié)構(gòu)高度為0.5、0.75 mm時，微溝槽內(nèi)均形成了形態(tài)較好且穩(wěn)定流動渦，但由于=0.75 mm的微溝槽內(nèi)反向渦的中心距溝槽外平面距離較大，其對近壁面區(qū)域湍流的抑制效果減弱，且反向流的“滾動軸承”的減阻效果減弱，因此與=0.5 mm的矩形溝槽相比，減阻率降低。

圖12 3種高度下橫向矩形溝槽的內(nèi)部跡線圖

4 結(jié)論

通過在離心泵葉片表面布置仿生微結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)明顯減阻，減阻率與布置微結(jié)構(gòu)的形態(tài)、形狀和尺寸等密切相關。本文通過在葉片出口處的吸力面上布置長度為葉片型線長度的13%微結(jié)構(gòu)，研究分析了相關因素對離心泵減阻率的影響規(guī)律和機理。

表面微結(jié)構(gòu)的減阻與近壁面區(qū)域流體的流動行為相關，葉片表面仿生微結(jié)構(gòu)的布置會對近壁面處的速度場和湍流強度產(chǎn)生影響，抑制了流場內(nèi)由于速度梯度過大而導致小尺度渦的產(chǎn)生，并阻止了渦量的增大，使其附近的湍動程度得到較好控制，且全流場整體的湍動程度均有較明顯的控制和減弱，從而降低了葉輪內(nèi)流體流動時產(chǎn)生的能量損耗，降低運動阻力。同時微結(jié)構(gòu)還可以改變近壁面層流體的速度梯度，降低表面摩擦阻力，且微結(jié)構(gòu)內(nèi)的反渦流結(jié)構(gòu)還具有類“滾動軸承”的減阻效果。

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Simulation Study on the Drag Reduction of Centrifugal Pump with Bionic Micro-structured Blade

1,1,1,1,2,3

(1. School of Mechanical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 2. Dewater Technology, Changsha 410205, China; 3. Tianjin Research Institute for Advanced Equipment, Tsinghua University, Tianjin 300300, China)

Centrifugal pump plays an important role in dealing with the water flooding accident in a coal mine. However, it has disadvantages of high mechanical loss and low energy utilization efficiency. Thus, studying the drag reduction performance of a centrifugal pump is essential. Not only it can save energy, but also can improve the pump stability. Here the drag reduction of the centrifugal pump is realized by arranging bionic microstructures on the centrifugal pump blade surfaces, and the optimal design parameters are obtained. In the paper, the influence rules and mechanisms of the bionic microstructures on the drag reduction of the pump are investigated by simulation method, and the variations in the impeller working torques caused by the bionic microstructures, compared to that of the pump with smooth blade surfaces, are used to characterize the drag reduction ratio. The effects of the arrangement, shape, and height size of the bionic microstructures are considered. And the microstructures are arranged on the outlet of the blade suction surfaces with an area ratio of 13%.

Results show that in the three arrangements of vertical rib, vertical groove, and parallel groove, the parallel groove has the highest drag reduction ratio. And for all the flow rates analyzed, all the parallel grooves with different cross-section shapes can realize drag reduction. In the three shapes of triangle, semicircle, and rectangle, the rectangular shape has the best drag reduction performance. The drag reduction ratio does not change monotonically with the microstructure height increasing. For the three heights analyzed, all the three kinds of microstructures with=0.5 mm have the largest drag reduction ratio. For all bionic micro-structured surfaces, their drag reduction ratios increase with the flow rate increasing. For all conditions, the blade surface with a parallel rectangular groove has the highest drag reduction percentage of 8.39%.

The bionic microstructures arranged on the blade surface will inevitably influence the flowing behaviors, especially for the near-surface fluid layer. The flow resistances are mainly caused by the frictional resistance and the differential pressure resistance. The friction resistance is composed of the viscous shear stress and the turbulent Reynolds stress, which are closely related to the flowing behaviors. In the paper, the path line figure near the blade surface, as well as the nephogram of velocity, turbulence kinetic energy, and shear stress are used to analyze the influence rules and mechanisms. The low-speed fluid layer trapped in the microstructures can effectively control and weaken the turbulence of the near-surface fluid layer, thus reducing the turbulent kinetic energy loss. Meanwhile, there are obvious reverse flow vortices in the microgrooves as shown in the path line figure. The reverse flow vortex can work as a "rolling bearing", which transforms the sliding friction into the rolling friction, thus reducing the fluid friction resistance. The low-speed fluid layer trapped in the microstructures can also increase the effective thickness of the boundary viscous layer and decrease the velocity gradient of the near-surface layer, resulting in lower surface frictional resistance. This research provides theoretical guidance for reducing energy loss of the centrifugal pump by using the bionic microstructure surface.

centrifugal pump; bionic microstructure; drag reduction; turbulence kinetic energy; numerical simulation

TH117

A

1001-3660(2023)02-0196-10

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.02.017

2022–04–13；

2022–10–22

2022-04-13；

2022-10-22

國家重點研發(fā)計劃（2018YFC0810500）；國家自然科學基金（51975042、51905032）；中央高?；緲I(yè)務費（FRF-TP-19-004A3）

The State Key Development Program for Basic Research of China (2018YFC0810500); the National Natural Science Foundation of China (51975042, 51905032); the Fundamental Research Funds for the Central Universities, China (FRF-TP-19-004A3)

黃明吉（1972—），男，博士，副教授，主要研究方向為智能制造與裝備智能技術(shù)。

HUANG Ming-ji (1972-), Male, Doctor, Associate professor, Research focus: intelligent manufacturing and equipment intelligent technology.

喬小溪（1986—），女，博士，副教授，主要研究方向為機械表面界面科學和摩擦學。

QIAO Xiao-xi (1986-), Female, Doctor, Associate professor, Research focus: surface and interface science in machinery, tribology.

黃明吉, 劉圣艷, 喬小溪, 等.離心泵仿生微結(jié)構(gòu)葉片減阻特性的仿真研究[J]. 表面技術(shù), 2023, 52(2): 196-205.

HUANG Ming-ji, LIU Sheng-yan, QIAO Xiao-xi, et al. Simulation Study on the Drag Reduction of Centrifugal Pump with Bionic Micro- structured Blade[J]. Surface Technology, 2023, 52(2): 196-205.

責任編輯：萬長清