基于CFD分析的壁面粗糙度对轴流泵水力性能的影响研究

陈新华，杨晓红，顾梅芳，孙锋明

(1.江阴市南闸水利农机服务站，江苏 无锡 214431； 2.江阴市水利工程公司，江苏 无锡 214431； 3.江阴市重点水利工程建设管理处，江苏 无锡 214431； 4.江阴市璜土水利农机管理服务站，江苏 无锡 214431)

0 引 言

因水泵在设计时将壁面假设为无粗糙度的光滑壁面，而实际在水泵的加工制造以及使用中，壁面不可能保证绝对的光滑，粗糙壁面通过影响边界层内的流动进而影响到通道内部的流动结构，这样就造成水泵的设计和实际应用中的差别。特别是轴流泵的三维空间曲面结构，由于造型和加工上的困难，不可能保证绝对光滑，受沉积物粘附、材料本身锈蚀及空化气蚀等的影响[1-3]，轴流泵性能会出现较大的下降。为了探讨壁面粗糙度对轴流泵水力性能的影响规律，朱红耕[4]、李龙[5]等通过对比计算不同粗糙度表面的轴流泵水力性能，发现同一流量工况下轴流泵的扬程效率随着粗糙度的增加而逐渐减小；高军甲[6]对输油离心泵叶轮进行电解抛光后效率提高了5%；M. W. Jessica[7]的研究结果表明，当叶片变粗糙时最大功率准数会较洁净表面时下降将近20%；BAI Tao[8]研究了表面粗糙度对涡轮机叶片空气动力学性能的影响；付飞[9]系统总结了近年来关于旋转机械在表面粗糙度取得的研究进展。

通过数值模拟和试验测试的方法，相关学者通过研究粗糙度对旋转机械性能的研究取得了一些成果[10-15]，而对内部流场规律的影响研究却很少。本文基于雷诺时均N-S方程，标准k-e湍流模型，对泵段进行数值模拟研究，通过比较粗糙壁面内外特性及流场的变化规律，揭示壁面粗糙度对泵装置性能的影响规律。

1 几何模型与边界条件

本文研究对象为一标准轴流泵，叶轮室直径D为300 mm，叶片旋转与静止叶轮室之间留有0.2 mm间隙[16]，叶片数为4，轮毂比为0.4，计算模型的进口直径为350 mm。在叶轮室前收缩与叶轮室相连，进口截面距叶轮中心为8D，出口段包括60°弯头段和出口延伸段，其中延伸段长为8D，叶轮导叶间距为6 mm，叶轮转速设置为1 450 rpm，从水流方向看为逆时针旋转，叶轮导叶之间采用周向平均的方式处理旋转叶轮出口与静止导叶之间的数据传递。其他相关设置见表1。

表1 计算域的边界条件设置

泵段的几何模型见图1，包括进口延长段、叶轮室、导叶室、60°弯管、出口延长段。计算域网格见图2。整个模型均采用结构化网格，各部分的网格数见表2。满足网格无关性要求。叶轮导叶的网格在turbogrid中利用内部包含的拓扑结构自动生成结构化网格，生成的仅为单通道计算域的网格，在后处理中经过旋转复制可以得到整个计算域的网格。进水段分为直管段和收缩段两部分组成，直管段直径为350 mm，收缩段为直管段到叶轮进口过渡。出口弯头也同样分为60°弯头和出口延伸段。在ICEM中用结构化网格完成。

图1 计算域模型

图2 计算域网格

表2 网格数汇总表

2 模拟结果对比

2.1 外特性对比

根据CFD模拟计算结果和轴流泵的性能计算公式，将不同粗糙度的计算结果外特性进行整理，见图3。

从图3可知，在相同流量工况下，因粗糙壁面的影响，在流量保持不变的情况下，扬程从6.07 m降低至5.18 m，效率从光滑壁面。管道内部的雷诺数处于紊流区，很容易理解为壁面粗糙度的增加，水力损失增加，扬程相对降低。因叶轮内部的水力损失不仅仅由壁面引起，也由速度变化、能量转化等引起，故粗糙度只是在原先的基础上有所改变，而不能在本质上改变轴流泵的性能。

图3 不同壁面粗糙度影响下的泵段性能曲线

2.2 叶片表面压力分布对比

叶片表面的压力分布代表叶片的作功能力分布，轴功率的变化必然在压力分布上表现出来，为此将光滑壁面方案和0.5 mm粗糙壁面方案的叶片表面压力取出，整理成云图，见图4。同时因流体在叶片表面的流动会产生壁面切应力，不同粗糙度引起的切向压力大小差别较大，将叶片表面的切向压力取出并整理，见图5。

图4 叶片表面压力云图分布

图5 叶片表面切向压力云图分布

边界设置成粗糙壁面之后，叶片表面的压力无论是从压力面还是从吸力面看均有所增加，主要是粗糙壁面相对光滑壁面在近壁区间过流能力大大减小。受近壁面阻流的影响，速度减小，是粗糙壁面的压力相比光滑壁面的压力较大的原因。在粗糙壁面的影响下，叶轮轴功率也随之增加，在扬程降低、轴功率增加的双重影响下，由水泵的效率公式可知，最终的效率下降较快。

2.3 叶栅通道压力云图分布

为便于比较光滑和粗糙壁面叶轮通道内部的压力分布，将叶轮室轮毂和轮缘中间的叶栅截面取出，得到叶栅通道压力云图，见图6。

图6 叶轮室中间柱面压力云图分布

对比图5可知，受壁面粗糙度的影响，压力值整体有所增加，分布趋势仍然相同。在叶片背面低压区明显可以看出，粗糙度影响压力分布较高，对降低叶轮的气蚀有非常有利的作用，与文献[18]结论中粗糙度能够降低叶片背面的磨损程度有相似的作用。

2.4 叶栅通道压力分布

为了分析光滑和粗糙度壁面之间对叶片表面的压力分布情况，将叶片表面的压力分布沿着弦长方向展开，见图7。

图7 叶片表面压力分布

对比图4可以发现，粗糙壁面的上表面压力明显低于光滑壁面的的压力分布，是扬程降低、效率降低的主要原因。

3 结 论

本文通过针对轴流泵设置光滑壁面和粗糙度壁面，通过CFD仿真计算得到轴流泵在粗糙度影响下的性能差别，并通过压力云图对比分析叶片压力面、吸力面及叶栅通道内部的压力分布，得到结论如下：

1) 壁面粗糙度通过影响边界层内的速度分布进而影响轴流泵近壁面的压力分布。

2) 壁面粗糙度通过降低轴流泵扬程，增大轴功率，降低轴流泵的效率。