為了研究離心泵仿生葉片的減阻降噪特性,獲得葉片壁面剪應(yīng)力與減阻率、效率和噪聲變化情況的關(guān)系,提取出了鯊魚皮膚的表面特征,建立了具有Ⅴ型槽表面葉片的離心泵模型.通過剪切應(yīng)力傳輸（SST） k-ω湍流模型對離心泵內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬,基于Proudman方法和聲類比方程對泵內(nèi)部聲場進行了預(yù)測計算.研究結(jié)果表明:仿生表面能夠有效控制葉片近壁面邊界層的流體流動,在出口處的壁面剪應(yīng)力梯度變小,工作面葉片的平均剪應(yīng)力最大降幅達29%;仿生表面可以降低的最大減阻率為3.1%,離心泵的水力效率最大提高2.06%;仿生葉片溝槽表面能夠改變?nèi)~輪流道內(nèi)的渦結(jié)構(gòu),降低離心泵葉輪內(nèi)部的湍動程度,減小流道內(nèi)的聲功率;與光滑葉片相比,仿生葉片的總聲壓級的降幅最大為2.68%;隨著流量的增大,壁面平均剪應(yīng)力的變化率、效率、總聲壓級及減阻率等都隨之增大. 

【文章來源】：華中科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 2020年09期 北大核心

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外特性試驗與數(shù)值計算比較2.2葉片壁面的剪應(yīng)力

媸?縈朧笛槭?莘⑾鄭?疃üた魷攏?锍淘げ?值與試驗值的偏差約3.1%，在大流量工況1.4Qd下偏差最大為4.1%．由于沒有考慮圓盤摩擦損失和泄漏損失，因此在大流量情況下誤差較大，效率間的最大誤差小于7.5%，說明所采用的離心泵的CFD數(shù)值計算方法較為合理．圖1外特性試驗與數(shù)值計算比較2.2葉片壁面的剪應(yīng)力當(dāng)流體出現(xiàn)相對滑移時會產(chǎn)生切向剪應(yīng)力，進而產(chǎn)生摩擦阻力，由于整個壁面受到的摩擦阻力應(yīng)是所有壁面剪應(yīng)力的合力，因此剪應(yīng)力的大小將能直觀反映出葉輪表面所受阻力的大小[3]．圖2分別給出了不同工況條件下具有光滑表面和仿生表面的葉片近壁面剪應(yīng)力的分布云圖，紅框部分為布置仿生表面的主要區(qū)域．通過CFX-Post進行后處理，在葉片工作面從進口到出口按等間距取20組點導(dǎo)出對應(yīng)的剪應(yīng)力數(shù)值，對這些數(shù)據(jù)取平均值，計算出葉片工作面所受的平均剪應(yīng)力如表2所示．由圖2可以直觀看出：進入葉輪流道內(nèi)的流體速度較低，在葉片壁面的剪應(yīng)力較小；在葉輪出口圖2不同葉片的剪應(yīng)力云圖(色標(biāo)單位：Pa)表2葉片的平均剪應(yīng)力流量平均剪應(yīng)力/Pa剪應(yīng)變/%光滑葉片仿生葉片0.8Qd22.0217.1322.161.0Qd40.6330.0126.201.2Qd85.1360.7529.001.4Qd98.0071.1327.50處，壁面剪應(yīng)力和流體速度達到最大值；仿生葉片出口處的壁面剪應(yīng)力相比于光滑葉片變化平緩；流量的增加，光滑葉片出口處高剪應(yīng)力區(qū)明顯增加，仿生葉片在該區(qū)域剪應(yīng)力降低明顯．由表2可知：布置仿生表面泵葉片工作面上剪應(yīng)力可以降低10～20Pa，仿生葉片離心泵在大流量下的減阻效果最佳，剪應(yīng)力變化率隨著流量的增加而增大，在1.4Qd時變化率開始出現(xiàn)下降．由此可見，仿生表面葉

·116·華中科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）第48卷生葉片表現(xiàn)為增阻效果．從0.8Qd工況開始，仿生葉片扭矩小于光滑表面，效率開始增加，因此在設(shè)計工況點附近，仿生葉片開始產(chǎn)生減阻效果；當(dāng)1.2Qd時減阻效果最好，減阻率為3.1%，效率提高值最大為2.06%；在流量增加到1.4Qd后，仿生表面黏性阻力抑制效果開始減弱，減阻率與效率變化率出現(xiàn)下降．圖3不同葉輪的總扭矩與效率情況3離心泵仿生葉片降噪效果分析通過仿生葉片產(chǎn)生的減阻作用，可以減少水流的湍動程度從而減小水流入射到殼壁上的脈動壓力，降低泵內(nèi)聲場的噪聲．為了對比驗證仿生葉片的降噪效果，分別對不同工況下仿生葉片離心泵及普通光滑葉片離心泵近場聲功率級和遠場聲壓級進行仿真計算．3.1泵內(nèi)流場分析采用Q準(zhǔn)則判別流體微團的旋渦程度，選取QCrit=0.1(QCrit表示Q/Qmax的無量綱值，Qmax為渦量最大值)對葉輪內(nèi)渦結(jié)構(gòu)進行分析，采用渦表面湍動能進行渲染，如圖4所示，圖中：WTKE為湍動能；渦量變化率QCrit取值0～1．由圖4黑色方框放大圖可見：由于仿生結(jié)構(gòu)在旋轉(zhuǎn)過程中會在葉片表面出現(xiàn)渦結(jié)構(gòu)，但溝槽分布是沿著液流流線分布，因此仿生葉片表面的渦結(jié)構(gòu)尺度很小，且湍動能較低，對聲功率貢獻很小．由圖4整個葉輪流道內(nèi)的渦結(jié)構(gòu)圖可見：仿生葉片相比光滑葉片流道內(nèi)渦結(jié)構(gòu)明顯減少，仿生葉片表面存在溝槽，破壞了脫流及尾跡渦，導(dǎo)致尾流區(qū)面積減小，故葉輪壁面的湍流脈動將會得到有效的控制．仿生葉片破壞了葉片表面內(nèi)渦結(jié)構(gòu)，使得大尺寸渦變?yōu)樾〕叨葴u，影響湍動能的變化及內(nèi)場聲功率級分布，進而減小流道內(nèi)的聲功率[11]．由此，可以預(yù)測出仿生葉片泵內(nèi)?

【參考文獻】：
期刊論文
[1]離心泵葉片仿生非光滑結(jié)構(gòu)的布置位置[J]. 代翠,陳怡平,董亮,王照雪.  排灌機械工程學(xué)報. 2020(03)
[2]流體激勵下多級離心泵輻射噪聲特性研究[J]. 劉厚林,李鈺,王凱,劉中純.  華中科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 2017(11)
[3]管道輸油泵流體噪聲模擬及泵噪聲測試方法[J]. 盧永剛,王洋,王秀禮,朱榮生,邱偉峰,方杰.  排灌機械工程學(xué)報. 2017(08)
[4]非光滑表面離心泵葉輪的流動減阻特性[J]. 牟介剛,代東順,谷云慶,劉劍,鄭水華,WANG Evan.  上海交通大學(xué)學(xué)報. 2016(02)
[5]基于仿生耦合功能表面的離心水泵增效機制研究[J]. 田麗梅,梅浩然,李新紅,王銀慈,楊樂,邵鵬.  農(nóng)業(yè)機械學(xué)報. 2015(04)
[6]軸流風(fēng)機仿生葉片降噪試驗研究及機理分析[J]. 孫少明,徐成宇,任露泉,張永智.  吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版). 2009(02)
[7]基于子波變換的周期擾動下壁湍流渦結(jié)構(gòu)多尺度分析[J]. 王昕.  實驗力學(xué). 2003(03)
[8]隨行波表面水下減阻降噪技術(shù)和機理研究綜述[J]. 宋保維,潘光,沙輝,張建輝.  魚雷技術(shù). 2001(04)

碩士論文
[1]非光滑表面流動減阻特性在離心泵上的應(yīng)用研究[D]. 代東順.浙江工業(yè)大學(xué) 2015



本文編號：2917953