摘要：為提升離心葉輪的氣動(dòng)性能及降低流動(dòng)損失，以鯊魚(yú)表皮微溝槽為仿生原型，結(jié)合數(shù)控加工工藝開(kāi)展了仿生圓弧微槽對(duì)離心葉輪氣動(dòng)性能影響的數(shù)值研究。針對(duì)葉片壓力面和吸力面，首先在50%葉高處分別布置不同尺寸的仿生圓弧微槽，探求能使離心葉輪性能得到提升的最佳微槽尺寸；然后，分別按一定葉高間隔布置最佳尺寸的仿生圓弧微槽，研究微槽數(shù)量對(duì)離心葉輪流場(chǎng)和性能的影響；最后，按不同葉高間隔同時(shí)布置不同數(shù)量的仿生圓弧微槽，進(jìn)一步探究其對(duì)氣動(dòng)性能的影響規(guī)律。數(shù)值結(jié)果表明：相對(duì)寬度為2%、深度為5%的微槽是提升離心葉輪性能的最佳微槽尺寸；在壓力面和吸力面分別以7%、6%葉高間隔布置13、16條微槽，能夠顯著改善葉輪出口截面的流場(chǎng)分布，從而降低流動(dòng)損失；在壓力面和吸力面同時(shí)布置最佳尺寸及數(shù)量的微槽，能夠進(jìn)一步提升離心葉輪的氣動(dòng)性能，設(shè)計(jì)工況下等熵效率提升了0.63%，壓比提升了0.40%。研究工作可為離心葉輪的設(shè)計(jì)優(yōu)化及數(shù)控加工提供參考。

關(guān)鍵詞：離心葉輪；仿生圓弧微槽；數(shù)控加工；氣動(dòng)性能；等熵效率

中圖分類(lèi)號(hào)：TK05"文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.7652/xjtuxb202410008"文章編號(hào)：0253-987X（2024）10-0083-12

Numerical Study on the Influence of Bionic Arc-Shaped Micro-Grooves on

the Aerodynamic Performance of Centrifugal Impellers

FAN Hongzhou1， LEI Weipeng1， YUE Bao2， ZHANG Weijiang2， GUO Hongtao1， XI Guang1

（1. School of Energy and Power Engineering， Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710049， China;

2. Guangdong Midea HVAC Equipment Co.， Ltd.， Foshan， Guangdong 528000， China）

Abstract：To enhance the aerodynamic performance and reduce flow losses of centrifugal impellers， a numerical study is conducted to explore the effects of biomimetic arc-shaped micro-grooves， inspired by shark skin micro-grooves and implemented through computer numerical control machining technology. The study focuses on the pressure and suction surfaces of the impeller blades. Different sizes of biomimetic arc-shaped micro-grooves are strategically placed at 50% of the blade height to determine the optimal groove size for improving the performance of the centrifugal impeller. Subsequently， the optimal-sized micro-grooves are arranged at regular intervals along the blade height to assess the influence of the number of micro-grooves on the flow field and overall performance of the impeller. Furthermore， varying quantities of biomimetic arc-shaped micro-grooves are simultaneously positioned at different blade height intervals to further examine their impact on the aerodynamic performance. The numerical results reveal that micro-grooves with a relative width of 2% and a depth of 5% are identified as the optimal dimensions for enhancing the performance of the centrifugal impeller. Arranging 13 and 16 micro-grooves with intervals of 7% and 6% of the blade height on the pressure and suction surfaces， respectively， yield significant improvements in the flow distribution at the impeller’s exit section and result in reduced flow losses. By concurrently incorporating the optimal-sized micro-grooves in optimal quantities on both the pressure and suction surfaces， the aerodynamic performance of the centrifugal impeller is further enhanced. Under the design conditions， the isentropic efficiency improves by 0.63%， and the pressure ratio increases by 0.40%. This study provides valuable insights for the design optimization and computer numerical control machining of centrifugal impellers.

Keywords：centrifugal impeller; bionic arc micro-groove; computer numerical control machining; aerodynamic performance; isentropic efficiency

離心葉輪作為離心壓縮機(jī)的關(guān)鍵能量轉(zhuǎn)化部件，其性能的優(yōu)劣直接影響整個(gè)機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行及工作效率。在設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，通過(guò)對(duì)離心葉輪葉片形狀進(jìn)行改型優(yōu)化設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)被動(dòng)流動(dòng)控制并提高工作效率［1-2］。此外，直接在葉片表面添加小翼［3］、微型凸起［4-5］、微槽［6-7］等結(jié)構(gòu)也可達(dá)到改善流場(chǎng)、提升葉輪性能的目的。

仿生流動(dòng)表面技術(shù)的發(fā)展為離心葉輪葉片的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了新思路［8-9］。國(guó)外對(duì)仿生表面技術(shù)的研究始于20世紀(jì)30年代，最初是以減小表面粗糙度為目標(biāo)，認(rèn)為表面越光滑流動(dòng)阻力越小。但隨著實(shí)驗(yàn)和仿真技術(shù)的發(fā)展，研究發(fā)現(xiàn)微尺度非光滑表面結(jié)構(gòu)能夠有效減小摩阻［10-12］。Choi［13］詳細(xì)分析了光滑表面和紋狀表面邊界層近壁的湍流結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)通過(guò)波紋控制湍流邊界層，不僅可以減小湍流表面摩擦，還能降低流動(dòng)噪聲。Sareen等［14］在渦輪機(jī)中布置微槽，發(fā)現(xiàn)能量耗散率最高可降低5%。Domel等［15］在機(jī)翼吸力側(cè)添加齒狀突起結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)能有效減小阻力，從而改變機(jī)翼的升阻比。國(guó)內(nèi)對(duì)仿生流動(dòng)減阻技術(shù)的研究起步較晚，早期主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段研究仿生微結(jié)構(gòu)的減阻效果，而后期數(shù)值模擬方法的快速發(fā)展為研究表面微結(jié)構(gòu)減阻效果和機(jī)理提供了便利。王志恒等［16］研究了離心壓縮機(jī)直紋面化葉片壓力面?zhèn)攘飨蛭⒉蹖?duì)葉輪性能和流場(chǎng)分布的影響，研究表明：在葉片布置流向微槽能有效降低二次流損失，提升離心葉輪的氣動(dòng)性能。楊雪峰等［17］研究了不同U型微溝槽表面的減阻特性，發(fā)現(xiàn)U型微溝槽在滿(mǎn)足一定條件時(shí)，減阻效果明顯。代翠等［18］采用數(shù)值模擬方法研究了離心葉片仿生非光滑凹坑對(duì)泵效率和內(nèi)部流場(chǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)該凹坑結(jié)構(gòu)對(duì)泵效率的影響有限，但相較于光滑葉片，壁面剪切力仍降低了12.7%。Liu等［19］通過(guò)數(shù)值模擬和試驗(yàn)方法研究了表面添加橫向微槽管道的減阻性能，發(fā)現(xiàn)橫向微槽能減少輸送過(guò)程中的壓力損失。由此可見(jiàn)，在流動(dòng)表面布置不同形式的微槽結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的性能優(yōu)化在工程上有很大的應(yīng)用前景［20］。

離心葉輪數(shù)控加工過(guò)程中，刀具會(huì)不可避免地在葉輪葉片上形成加工殘留，加工殘留的分布位置、高度等均與刀軌路徑規(guī)劃算法密切相關(guān)。國(guó)內(nèi)對(duì)加工殘留的研究大多以?xún)?yōu)化刀軌降低表面加工誤差為目的，聚焦于自由曲面零部件的加工制造［21-23］。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，數(shù)控加工過(guò)程中材料的殘留形狀與鯊魚(yú)表皮連續(xù)分布的圓弧形脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)［24］（見(jiàn)圖1）在形狀上具有高度的相似性。因此，結(jié)合鯊魚(yú)皮仿生原理及數(shù)控加工工藝，探究離心葉輪葉片新型表面形狀對(duì)其氣動(dòng)性能的影響具有重要的理論及工程應(yīng)用價(jià)值。

本文以某離心葉輪為研究對(duì)象，結(jié)合鯊魚(yú)皮仿生原理及數(shù)控加工工藝，數(shù)值分析了布置在葉片壓力面和吸力面上不同尺寸、數(shù)量的仿生圓弧微槽對(duì)離心葉輪氣動(dòng)性能及流場(chǎng)的影響。研究結(jié)果表明：通過(guò)在葉片表面布置仿生圓弧微槽，可提升離心葉輪的氣動(dòng)性能及降低流動(dòng)損失，進(jìn)而為離心葉輪葉片設(shè)計(jì)優(yōu)化與數(shù)控加工工藝改進(jìn)等方面的融合研究提供有益的理論支撐。

1"研究對(duì)象及數(shù)值計(jì)算方案

本文研究對(duì)象為某帶有分流葉片的半開(kāi)式離心葉輪［25］，設(shè)計(jì)壓比為4.2，質(zhì)量流量為5.7kg/s，轉(zhuǎn)速為19200r/min，葉片為變厚度分布，葉根厚度為6mm，葉頂厚度為3mm，其他幾何參數(shù)見(jiàn)表1。

采用等熵效率及總壓比分析離心葉輪的氣動(dòng)性能，表達(dá)式如下

ηis=（p2/p1）（κ－1）/κ－1（T2/T1）－1（1）

ε=p2/p1（2）

式中：ηis、ε分別為等熵效率和總壓比；p1、p2、T1、T2分別為進(jìn)、出口的總壓、總溫；κ為等熵指數(shù)。

綜合考慮鯊魚(yú)表皮結(jié)構(gòu)及數(shù)控加工刀軌形狀，對(duì)本文所研究的仿生圓弧微槽進(jìn)行幾何參數(shù)化，如圖2所示，其中紅色圓弧為微槽結(jié)構(gòu)。定義寬度b為仿生圓弧微槽沿葉片方向的距離，深度t為沿葉片厚度方向的距離，R為仿生圓弧微槽半徑。同時(shí)，對(duì)仿生圓弧微槽尺寸進(jìn)行百分比相對(duì)量化：寬度b以葉片出口葉高h(yuǎn)b為基準(zhǔn)，深度t以50%葉高處葉片出口厚度lout為基準(zhǔn)。

通過(guò)CFX BladeGen軟件提取整體葉輪流體域的單流道開(kāi)展數(shù)值計(jì)算，單流道計(jì)算域包括進(jìn)口段、葉輪和出口無(wú)葉擴(kuò)壓器3個(gè)區(qū)域，如圖3所示。利用ANSYS Meshing軟件對(duì)計(jì)算域劃分混合結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，其中進(jìn)口段及出口擴(kuò)壓段采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，葉輪轉(zhuǎn)子域采用以四面體為主導(dǎo)的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，仿生圓弧微槽處采用局部控制的方法劃分網(wǎng)格。圖4給出了單流道計(jì)算域網(wǎng)格及仿生圓弧微槽處局部網(wǎng)格的示意圖。

采用ANSYS CFX軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，在葉輪單流道計(jì)算域內(nèi)采用SST k-ω湍流模型求解三維定常雷諾時(shí)均Navier-Stokes方程，在近壁面區(qū)域采用Automatic Wall Treatment函數(shù)求解流動(dòng)邊界層。計(jì)算工質(zhì)為理想空氣，進(jìn)口邊界給定總溫為308K，總壓為1.013×105Pa，出口邊界給定質(zhì)量流量，葉輪轉(zhuǎn)速為設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，固體壁面采用絕熱、無(wú)滑移的邊界條件，轉(zhuǎn)靜交界面采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子法，單流道流體域設(shè)置為周期性交界面。

本文對(duì)布置在葉片上不同尺寸及數(shù)量的仿生圓弧微槽均進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。首先，對(duì)原型葉輪進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)當(dāng)單流道的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為75萬(wàn)時(shí)，等熵效率及總壓比的相對(duì)誤差較小，僅為0.05%。接著，控制原型葉輪流體域其他位置的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)不變，采用局部加密方式改變仿生圓弧微槽處的網(wǎng)格數(shù)，選取5種網(wǎng)格數(shù)量方案對(duì)布置有3、9、13、16、19條仿生圓弧微槽的葉片壓力面開(kāi)展網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，得到的結(jié)果如圖5所示。由圖可見(jiàn)，離心葉輪的等熵效率和總壓比隨著網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)的增大逐漸趨于平穩(wěn)?？傮w來(lái)看，后3種網(wǎng)格方案的計(jì)算結(jié)果相對(duì)誤差較小，均可滿(mǎn)足無(wú)關(guān)性要求，考慮到計(jì)算效率，選取第3種網(wǎng)格方案開(kāi)展后續(xù)的數(shù)值計(jì)算。

為驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性，本文采用已公開(kāi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的Krain離心葉輪［26］進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。圖6給出了文獻(xiàn)［26］公開(kāi)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與本文數(shù)值計(jì)算得到的總壓比及等熵效率的對(duì)比。由圖可見(jiàn)，設(shè)計(jì)點(diǎn)處實(shí)驗(yàn)測(cè)量到的等熵效率為82.97%，總壓比為4.03；數(shù)值計(jì)算得到的等熵效率為82.34%，總壓比為4.21。誤差可能是湍流模型預(yù)測(cè)誤差及數(shù)值計(jì)算設(shè)定的計(jì)算域與實(shí)驗(yàn)之間的差異所引起的?？傮w而言，實(shí)驗(yàn)測(cè)量與數(shù)值模擬結(jié)果變化趨勢(shì)基本一致，且二者偏差遵循相同的變化規(guī)律，表明該數(shù)值方法具有較高的模擬精度。

2"仿生圓弧微槽尺寸對(duì)葉輪性能的影響研究

文獻(xiàn)［16］研究表明：在50%葉高處布置流向微槽對(duì)離心葉輪的性能提升最大。參考該流向微槽的布置位置，本文首先在葉片壓力面和吸力面50%葉高處分別布置不同尺寸的仿生圓弧微槽，對(duì)比分析微槽尺寸對(duì)離心葉輪氣動(dòng)性能及流場(chǎng)分布的影響，以探求對(duì)性能提升最佳的微槽尺寸。選取的微槽尺寸及具體方案編號(hào)如表2所示，其中小寫(xiě)字母對(duì)應(yīng)壓力面，大寫(xiě)字母對(duì)應(yīng)吸力面。

2.1"壓力面50%葉高處仿生圓弧微槽尺寸影響研究

根據(jù)表2的尺寸方案，在葉片壓力面50%葉高處布置不同尺寸的仿生圓弧微槽。以無(wú)因次流量Q·Q－10為橫軸，等熵效率和總壓比為縱軸，繪制離心葉輪的性能曲線(xiàn)，如圖7所示。由圖7（a）可見(jiàn)，在壓力面50%葉高處布置不同尺寸的仿生圓弧微槽，均可提升離心葉輪的等熵效率。設(shè)計(jì)工況下，相對(duì)寬度為2%、深度為5%的微槽對(duì)離心葉輪的等熵效率提升最大，約為0.10%。從圖7（b）中的無(wú)因次流量-總壓比曲線(xiàn)發(fā)現(xiàn)，方案a～e的仿生圓弧微槽對(duì)總壓比的影響均較小。

由上可知，在葉片壓力面50%葉高處采用方案a布置仿生圓弧微槽，對(duì)離心葉輪的等熵效率提升相對(duì)最大。進(jìn)一步對(duì)比分析方案a與原型葉輪的內(nèi)流場(chǎng)分布特性，圖8給出了離心葉輪葉片壓力面的極限流線(xiàn)分布。從圖中可以看出，原型葉片壓力面存在明顯由輪盤(pán)側(cè)向輪蓋側(cè)的二次流（紅色箭頭所示），導(dǎo)致葉頂處出現(xiàn)流動(dòng)分離現(xiàn)象。當(dāng)在壓力面50%葉高處布置仿生圓弧微槽后，葉片附面層的流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變，微槽處的低速流體被有效限制在了底部，因此當(dāng)流體由輪盤(pán)側(cè)向輪蓋側(cè)移動(dòng)時(shí)，由于微槽底部低速流體的屏障作用，極限流線(xiàn)出現(xiàn)明顯偏折（紅色矩形框所示），從而有效降低了二次流，有助于提升離心葉輪的氣動(dòng)性能。

圖9對(duì)比了原型葉片和以方案a布置仿生圓弧微槽時(shí)，葉片壓力面的壓力分布及葉輪出口截面的相對(duì)馬赫數(shù)分布云圖。

由圖9（a）可知，原型葉片和布置微槽時(shí)葉片的壓力分布存在差異，當(dāng)布置微槽時(shí)，葉片壓力面前緣低壓區(qū)面積顯著減小（紅色矩形框所示），壓力等值線(xiàn)發(fā)生變化，前緣處的低壓區(qū)通常由于葉片幾何形狀的曲率變化，導(dǎo)致氣流流經(jīng)該區(qū)域時(shí)發(fā)生流動(dòng)分離，從而形成局部低壓區(qū)。由此可見(jiàn)，在葉片壓力面布置微槽結(jié)構(gòu)，能有效改善葉片表面的流動(dòng)狀態(tài)，從而抑制流動(dòng)分離，降低流動(dòng)損失。從圖9（b）可以看出，布置仿生圓弧微槽影響了主葉片壓力面?zhèn)群拖噜彿至魅~片吸力面流道處的相對(duì)馬赫數(shù)分布，使得壓力面?zhèn)染植扛唏R赫數(shù)區(qū)域面積減小，低馬赫數(shù)區(qū)域面積增大，最終導(dǎo)致離心葉輪出口截面流場(chǎng)分布較好，流動(dòng)損失降低，等熵效率提升。

2.2"吸力面50%葉高處仿生圓弧微槽尺寸影響研究

采用方案A～E（見(jiàn)表2），對(duì)在葉片吸力面50%葉高處布置有不同尺寸仿生圓弧微槽的葉輪性能開(kāi)展研究，結(jié)果如圖10所示。由圖可見(jiàn)，在葉片吸力面布置不同尺寸的仿生圓弧微槽，均能提升離心葉輪的等熵效率，設(shè)計(jì)工況下等熵效率最高提升了0.35%（采用方案A），總壓比變化不大。

圖11對(duì)比了原型葉片和在葉片吸力面采用方案A布置仿生圓弧微槽時(shí)，葉片吸力面的壓力分布及葉輪出口截面的相對(duì)馬赫數(shù)分布云圖。由圖11（a）可見(jiàn)，在葉片吸力面50%葉高處布置仿生圓弧微槽，對(duì)壓力分布的影響并不明顯，二者差異僅出現(xiàn)在葉片靠近進(jìn)、出口處。由圖11（b）可見(jiàn)，在葉片吸力面50%葉高處采用方案A布置仿生圓弧微槽，改變了主葉片壓力面?zhèn)鹊南鄬?duì)馬赫數(shù)分布，與圖9（b）的變化趨勢(shì)一致，表明仿生圓弧微槽的存在使得局部位置的高馬赫數(shù)區(qū)域面積減少，流動(dòng)損失降低，等熵效率提升。

3"仿生圓弧微槽數(shù)量對(duì)葉輪性能的影響研究

上節(jié)分析了在葉片壓力面和吸力面50%葉高處布置不同尺寸仿生圓弧微槽對(duì)離心葉輪氣動(dòng)性能的影響，并得出相對(duì)寬度為2%、相對(duì)深度為5%的仿生圓弧微槽是提升離心葉輪性能最佳的微槽尺寸，設(shè)計(jì)工況下等熵效率分別提升了0.10%和0.35%。與鯊魚(yú)表皮連續(xù)分布的脊?fàn)畋砻娌煌?，本?jié)旨在探究不同數(shù)量的仿生圓弧微槽對(duì)葉片性能的影響，從而為后續(xù)工作提供理論指導(dǎo)?，F(xiàn)按照一定葉高間隔，分別在葉片壓力面和吸力面布置最佳尺寸的仿生圓弧微槽，探究微槽數(shù)量對(duì)離心葉輪氣動(dòng)性能及流場(chǎng)的影響，具體方案如表3所示，其中仿生圓弧微槽的最大數(shù)量以連續(xù)覆蓋最短葉高為標(biāo)準(zhǔn)。

3.1"壓力面仿生圓弧微槽數(shù)量影響研究

圖12給出了布置不同數(shù)量仿生圓弧微槽時(shí)離心葉輪的性能曲線(xiàn)。由圖12（a）可見(jiàn)，非阻塞工況（Q·Q－10的取值范圍為0.85～1.10）下，在葉片壓力面布置不同數(shù)量的仿生圓弧微槽，均能提升離心葉輪的等熵效率，按7%葉高間隔布置13條仿生圓弧微槽對(duì)離心葉輪的等熵效率提升最為明顯，設(shè)計(jì)工況下等熵效率提升了約0.50%。不同數(shù)量的仿生圓弧微槽對(duì)離心葉輪總壓比的影響均較小，其中按7%葉高間隔布置13條微槽的影響相對(duì)較大。

為探究上述仿生圓弧微槽對(duì)離心葉輪性能產(chǎn)生影響的原因，圖13給出了設(shè)計(jì)工況下，原型葉片與葉片壓力面以7%葉高間隔布置13條仿生圓弧微槽時(shí)葉輪出口截面的流場(chǎng)分布對(duì)比。由圖可見(jiàn)，整體流場(chǎng)變化趨勢(shì)一致，但在局部區(qū)域存在一定差異。如圖13（a）所示，在原型葉片的主葉片吸力面?zhèn)却嬖诰植康蛪簠^(qū)，布置仿生圓弧微槽能夠有效減小該位置的局部低壓區(qū)面積，同時(shí)增加主葉片壓力面和相鄰分流葉片吸力面流道處的高壓區(qū)面積。由圖13（b）可見(jiàn)，當(dāng)在葉片壓力面布置仿生圓弧微槽時(shí)，葉輪出口截面高熵產(chǎn)區(qū)域面積明顯減少，特別是在靠近輪蓋側(cè)的位置。由圖13（c）可見(jiàn)，在葉片壓力面布置13條仿生圓弧微槽時(shí)，靠近主葉片壓力面?zhèn)鹊母唏R赫數(shù)區(qū)域面積減少，從而減少了氣體在流道內(nèi)的流動(dòng)損失，提升了氣動(dòng)性能。綜上，離心葉輪葉頂間隙的存在使得靠近葉頂位置出現(xiàn)由壓力面向吸力面流動(dòng)的氣體，當(dāng)在葉片壓力面布置一定數(shù)量的仿生圓弧微槽時(shí)，靠近葉頂位置的微槽減弱了壁面處低速流體與外界流體之間的動(dòng)量傳遞，使得間隙流出的氣體產(chǎn)生壓力波動(dòng)，從而改變了葉輪出口截面的流場(chǎng)分布。

3.2"吸力面仿生圓弧微槽數(shù)量影響研究

下面探究在葉片吸力面布置不同數(shù)量的仿生圓弧微槽對(duì)離心葉輪性能及流場(chǎng)分布的影響。圖14 為在葉片吸力面布置不同數(shù)量微槽時(shí)葉輪的性能曲線(xiàn)。由圖可見(jiàn)，非阻塞工況下，在葉片吸力面布置不同數(shù)量的仿生圓弧微槽，均能提高離心葉輪的等熵效率和總壓比，其中按6%葉高間隔布置16條微槽對(duì)離心葉輪等熵效率的提升最大，幅度約為0.53%。

為進(jìn)一步分析葉片吸力面布置不同數(shù)量的仿生圓弧微槽對(duì)離心葉輪性能產(chǎn)生影響的原因，圖15 給出了設(shè)計(jì)工況下葉片吸力面布置不同數(shù)量微槽時(shí)，葉輪出口截面附近的局部壓力分布。由圖可見(jiàn)，在葉片吸力面布置仿生圓弧微槽，能夠減少甚至消除葉片壁面附近的低壓區(qū)，增大流道處的高壓區(qū)面積，從而使葉輪獲得良好的流場(chǎng)分布，提升了等熵效率。

4"壓力面和吸力面同時(shí)布置微槽研究

在離心葉輪葉片壓力面和吸力面分別布置仿生圓弧微槽，一定程度上均可以改善流場(chǎng)并提升葉輪性能，以相對(duì)寬度為2%、相對(duì)深度為5%分別在壓力面以7%葉高間隔布置13條仿生圓弧微槽和在吸力面以6%葉高間隔布置16條仿生圓弧微槽對(duì)葉輪性能的提升最大。本節(jié)通過(guò)在葉片壓力面和吸力面同時(shí)布置上述形式的仿生圓弧微槽，進(jìn)一步研究其對(duì)離心葉輪氣動(dòng)性能、流場(chǎng)及葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。圖16為在葉片壓力面及吸力面同時(shí)布置仿生圓弧微槽時(shí)的模型示意圖。

4.1"離心葉輪性能及流場(chǎng)研究

圖17為離心葉輪葉片壓力面和吸力面同時(shí)布置仿生圓弧微槽時(shí)的性能曲線(xiàn)。由圖可見(jiàn)，全工況范圍內(nèi)，相比原型葉片，以相對(duì)寬度為2%、相對(duì)深度為5%，同時(shí)在葉片壓力面以7%葉高間隔布置13條、吸力面以6%葉高間隔布置16條仿生圓弧微槽，可顯著提升離心葉輪的等熵效率及總壓比。

接著，對(duì)比分析原型葉片與同時(shí)在壓力面和吸力面布置仿生圓弧微槽的流場(chǎng)分布特點(diǎn)，并深入探究影響出口截面流場(chǎng)分布的原因。圖18為原型葉片與同時(shí)在壓力面和吸力面布置仿生圓弧微槽葉片的出口截面流場(chǎng)分布對(duì)比。由圖可見(jiàn)，同時(shí)在葉片壓力面和吸力面布置仿生圓弧微槽，葉輪出口截面的流場(chǎng)分布會(huì)發(fā)生較大變化。由圖18（a）可見(jiàn)，相較于原型葉片，在壓力面和吸力面同時(shí)布置微槽，主葉片吸力面?zhèn)染植康蛪簠^(qū)消失，主葉片和分流葉片之間的流道高壓區(qū)面積增大。由圖18（b）可見(jiàn)，在壓力面和吸力面同時(shí)布置微槽，主葉片吸力面和分流葉片壓力面之間的流道高熵產(chǎn)區(qū)域面積明顯減少，從而降低了氣體流動(dòng)過(guò)程中因擾動(dòng)而產(chǎn)生的能量損失。如圖18（c）所示，從整個(gè)流道分析，當(dāng)在壓力面和吸力面同時(shí)布置微槽，主葉片壓力面和分流葉片吸力面之間的流道高馬赫數(shù)區(qū)域面積明顯減??；從局部區(qū)域分析，在壓力面和吸力面同時(shí)布置微槽，主葉片吸力面?zhèn)雀唏R赫數(shù)區(qū)域的面積增大。由上可知，同時(shí)在葉片壓力面和吸力面布置仿生圓弧微槽，對(duì)葉輪流場(chǎng)分布的影響并不等同于分別在壓力面或吸力面布置仿生圓弧微槽影響效果的疊加。

綜上所述，在葉片壓力面和吸力面同時(shí)布置仿生圓弧微槽，能夠進(jìn)一步提升離心葉輪的性能，改善葉輪出口截面的流場(chǎng)分布。相比原型葉片，離心葉輪的等熵效率和總壓比顯著提升，設(shè)計(jì)工況下等熵效率提升了0.63%，總壓比提升了0.40%。

4.2"離心葉輪葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究

在離心葉輪葉片表面布置仿生圓弧微槽，一方面改變了葉輪內(nèi)部的流場(chǎng)分布和氣動(dòng)性能，另一方面對(duì)葉輪本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也會(huì)產(chǎn)生影響。因此，本文對(duì)壓力面和吸力面同時(shí)布置仿生圓弧微槽的離心葉輪進(jìn)行了葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估。采用Static Structural模塊進(jìn)行有限元計(jì)算，在葉片上施加離心載荷和氣動(dòng)載荷，并在葉片與輪盤(pán)結(jié)合面設(shè)置固定約束，計(jì)算得到離心葉輪葉片的等效應(yīng)力及總變形分布，如圖19所示。離心葉輪葉片材料選取馬氏體沉淀硬化不銹鋼（FV520B），基本物理參數(shù)如表4所示。

1.029×105

由圖19（a）可見(jiàn)，原型葉片與在壓力面和吸力面同時(shí)布置仿生圓弧微槽葉片的等效應(yīng)力分布類(lèi)似，最大應(yīng)力均位于葉片吸力面靠近前緣位置的葉根附近，最小應(yīng)力位于葉頂附近。原型葉片的最小應(yīng)力為0.71MPa，最大應(yīng)力為616.51MPa，平均應(yīng)力為194.18MPa。壓力面和吸力面同時(shí)布置微槽時(shí)，葉片的最小應(yīng)力為0.35MPa，最大應(yīng)力為638.04MPa，平均應(yīng)力為191.17MPa，相較于原型葉片，最大應(yīng)力增大了3.5%，最小應(yīng)力減小了50.7%，平均應(yīng)力減小了1.5%。雖然此時(shí)最大等效應(yīng)力增大，但仍遠(yuǎn)小于材料的屈服極限，能夠滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。圖19（b）展示了原型葉片與壓力面和吸力面同時(shí)布置仿生圓弧微槽時(shí)葉片的總變形分布。由圖可知，二者的葉片總變形分布特點(diǎn)相同，最大變形位于葉片前緣葉頂附近，最小變形位于葉根附近。原型葉片的最大變形為1.71mm，葉片壓力面和吸力面同時(shí)布置仿生圓弧微槽時(shí)的最大變形為1.72mm，總變形量基本相同。因此，從變形的角度分析，與原型葉片相比，同時(shí)在葉片壓力面和吸力面布置仿生圓弧微槽，葉片的變形位置和變形量無(wú)明顯變化。

5"結(jié)"論

本文以某離心葉輪為研究對(duì)象，結(jié)合鯊魚(yú)皮仿生原理及數(shù)控加工工藝，通過(guò)對(duì)在葉片壓力面和吸力面布置不同尺寸、數(shù)量的仿生圓弧微槽進(jìn)行數(shù)值模擬分析，探討并總結(jié)了仿生圓弧微槽對(duì)離心葉輪氣動(dòng)性能及流場(chǎng)分布的影響，得到以下結(jié)論。

（1）在葉片壓力面和吸力面50%葉高處分別布置不同尺寸的仿生圓弧微槽，可提升離心葉輪的等熵效率，但對(duì)總壓比影響較小，相對(duì)寬度為2%、相對(duì)深度為5%的微槽對(duì)等熵效率的提升最大，可視為最佳微槽尺寸。

（2）相較于原型葉片，同時(shí)在葉片壓力面以7%葉高間隔布置13條、吸力面以6%葉高間隔布置16條最佳尺寸的仿生圓弧微槽，可進(jìn)一步提升離心葉輪的氣動(dòng)性能，改善葉輪出口截面的流場(chǎng)分布，降低流動(dòng)損失，設(shè)計(jì)工況下的等熵效率提升了0.63%，壓比提升了0.40%。此外，在葉片壓力面和吸力面同時(shí)布置仿生圓弧微槽，對(duì)離心葉輪的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及變形基本無(wú)影響。

綜上所述，考慮葉片厚度和寬度，在離心葉輪葉片表面布置一定尺寸及數(shù)量的仿生圓弧微槽，可有效提升離心葉輪的氣動(dòng)性能，降低流動(dòng)損失，進(jìn)而為離心葉輪葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及數(shù)控加工工藝的改進(jìn)提供參考。

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（編輯"李慧敏）