基于CFD分析的壁面粗糙度對軸流泵水力性能的影響研究

陳新華，楊曉紅，顧梅芳，孫鋒明

(1.江陰市南閘水利農機服務站，江蘇 無錫 214431； 2.江陰市水利工程公司，江蘇 無錫 214431； 3.江陰市重點水利工程建設管理處，江蘇 無錫 214431； 4.江陰市璜土水利農機管理服務站，江蘇 無錫 214431)

0 引 言

因水泵在設計時將壁面假設為無粗糙度的光滑壁面，而實際在水泵的加工制造以及使用中，壁面不可能保證絕對的光滑，粗糙壁面通過影響邊界層內的流動進而影響到通道內部的流動結構，這樣就造成水泵的設計和實際應用中的差別。特別是軸流泵的三維空間曲面結構，由于造型和加工上的困難，不可能保證絕對光滑，受沉積物粘附、材料本身銹蝕及空化氣蝕等的影響[1-3]，軸流泵性能會出現較大的下降。為了探討壁面粗糙度對軸流泵水力性能的影響規律，朱紅耕[4]、李龍[5]等通過對比計算不同粗糙度表面的軸流泵水力性能，發現同一流量工況下軸流泵的揚程效率隨著粗糙度的增加而逐漸減小；高軍甲[6]對輸油離心泵葉輪進行電解拋光后效率提高了5%；M. W. Jessica[7]的研究結果表明，當葉片變粗糙時最大功率準數會較潔凈表面時下降將近20%；BAI Tao[8]研究了表面粗糙度對渦輪機葉片空氣動力學性能的影響；付飛[9]系統總結了近年來關于旋轉機械在表面粗糙度取得的研究進展。

通過數值模擬和試驗測試的方法，相關學者通過研究粗糙度對旋轉機械性能的研究取得了一些成果[10-15]，而對內部流場規律的影響研究卻很少。本文基于雷諾時均N-S方程，標準k-e湍流模型，對泵段進行數值模擬研究，通過比較粗糙壁面內外特性及流場的變化規律，揭示壁面粗糙度對泵裝置性能的影響規律。

1 幾何模型與邊界條件

本文研究對象為一標準軸流泵，葉輪室直徑D為300 mm，葉片旋轉與靜止葉輪室之間留有0.2 mm間隙[16]，葉片數為4，輪轂比為0.4，計算模型的進口直徑為350 mm。在葉輪室前收縮與葉輪室相連，進口截面距葉輪中心為8D，出口段包括60°彎頭段和出口延伸段，其中延伸段長為8D，葉輪導葉間距為6 mm，葉輪轉速設置為1 450 rpm，從水流方向看為逆時針旋轉，葉輪導葉之間采用周向平均的方式處理旋轉葉輪出口與靜止導葉之間的數據傳遞。其他相關設置見表1。

表1 計算域的邊界條件設置

泵段的幾何模型見圖1，包括進口延長段、葉輪室、導葉室、60°彎管、出口延長段。計算域網格見圖2。整個模型均采用結構化網格，各部分的網格數見表2。滿足網格無關性要求。葉輪導葉的網格在turbogrid中利用內部包含的拓撲結構自動生成結構化網格，生成的僅為單通道計算域的網格，在后處理中經過旋轉復制可以得到整個計算域的網格。進水段分為直管段和收縮段兩部分組成，直管段直徑為350 mm，收縮段為直管段到葉輪進口過渡。出口彎頭也同樣分為60°彎頭和出口延伸段。在ICEM中用結構化網格完成。

圖1 計算域模型

圖2 計算域網格

表2 網格數匯總表

2 模擬結果對比

2.1 外特性對比

根據CFD模擬計算結果和軸流泵的性能計算公式，將不同粗糙度的計算結果外特性進行整理，見圖3。

從圖3可知，在相同流量工況下，因粗糙壁面的影響，在流量保持不變的情況下，揚程從6.07 m降低至5.18 m，效率從光滑壁面。管道內部的雷諾數處于紊流區，很容易理解為壁面粗糙度的增加，水力損失增加，揚程相對降低。因葉輪內部的水力損失不僅僅由壁面引起，也由速度變化、能量轉化等引起，故粗糙度只是在原先的基礎上有所改變，而不能在本質上改變軸流泵的性能。

圖3 不同壁面粗糙度影響下的泵段性能曲線

2.2 葉片表面壓力分布對比

葉片表面的壓力分布代表葉片的作功能力分布，軸功率的變化必然在壓力分布上表現出來，為此將光滑壁面方案和0.5 mm粗糙壁面方案的葉片表面壓力取出，整理成云圖，見圖4。同時因流體在葉片表面的流動會產生壁面切應力，不同粗糙度引起的切向壓力大小差別較大，將葉片表面的切向壓力取出并整理，見圖5。

圖4 葉片表面壓力云圖分布

圖5 葉片表面切向壓力云圖分布

邊界設置成粗糙壁面之后，葉片表面的壓力無論是從壓力面還是從吸力面看均有所增加，主要是粗糙壁面相對光滑壁面在近壁區間過流能力大大減小。受近壁面阻流的影響，速度減小，是粗糙壁面的壓力相比光滑壁面的壓力較大的原因。在粗糙壁面的影響下，葉輪軸功率也隨之增加，在揚程降低、軸功率增加的雙重影響下，由水泵的效率公式可知，最終的效率下降較快。

2.3 葉柵通道壓力云圖分布

為便于比較光滑和粗糙壁面葉輪通道內部的壓力分布，將葉輪室輪轂和輪緣中間的葉柵截面取出，得到葉柵通道壓力云圖，見圖6。

圖6 葉輪室中間柱面壓力云圖分布

對比圖5可知，受壁面粗糙度的影響，壓力值整體有所增加，分布趨勢仍然相同。在葉片背面低壓區明顯可以看出，粗糙度影響壓力分布較高，對降低葉輪的氣蝕有非常有利的作用，與文獻[18]結論中粗糙度能夠降低葉片背面的磨損程度有相似的作用。

2.4 葉柵通道壓力分布

為了分析光滑和粗糙度壁面之間對葉片表面的壓力分布情況，將葉片表面的壓力分布沿著弦長方向展開，見圖7。

圖7 葉片表面壓力分布

對比圖4可以發現，粗糙壁面的上表面壓力明顯低于光滑壁面的的壓力分布，是揚程降低、效率降低的主要原因。

3 結 論

本文通過針對軸流泵設置光滑壁面和粗糙度壁面，通過CFD仿真計算得到軸流泵在粗糙度影響下的性能差別，并通過壓力云圖對比分析葉片壓力面、吸力面及葉柵通道內部的壓力分布，得到結論如下：

1) 壁面粗糙度通過影響邊界層內的速度分布進而影響軸流泵近壁面的壓力分布。

2) 壁面粗糙度通過降低軸流泵揚程，增大軸功率，降低軸流泵的效率。