离心泵仿生表面减阻降噪特性研究
发布时间：2020-12-15 08:06
为了研究离心泵仿生叶片的减阻降噪特性,获得叶片壁面剪应力与减阻率、效率和噪声变化情况的关系,提取出了鲨鱼皮肤的表面特征,建立了具有Ⅴ型槽表面叶片的离心泵模型.通过剪切应力传输（SST） k-ω湍流模型对离心泵内部流场进行数值模拟,基于Proudman方法和声类比方程对泵内部声场进行了预测计算.研究结果表明:仿生表面能够有效控制叶片近壁面边界层的流体流动,在出口处的壁面剪应力梯度变小,工作面叶片的平均剪应力最大降幅达29%;仿生表面可以降低的最大减阻率为3.1%,离心泵的水力效率最大提高2.06%;仿生叶片沟槽表面能够改变叶轮流道内的涡结构,降低离心泵叶轮内部的湍动程度,减小流道内的声功率;与光滑叶片相比,仿生叶片的总声压级的降幅最大为2.68%;随着流量的增大,壁面平均剪应力的变化率、效率、总声压级及减阻率等都随之增大.
【文章来源】：华中科技大学学报(自然科学版). 2020年09期 北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
外特性试验与数值计算比较2.2叶片壁面的剪应力
媸?萦胧笛槭?莘⑾郑?疃üた鱿拢?锍淘げ?值与试验值的偏差约3.1%，在大流量工况1.4Qd下偏差最大为4.1%．由于没有考虑圆盘摩擦损失和泄漏损失，因此在大流量情况下误差较大，效率间的最大误差小于7.5%，说明所采用的离心泵的CFD数值计算方法较为合理．图1外特性试验与数值计算比较2.2叶片壁面的剪应力当流体出现相对滑移时会产生切向剪应力，进而产生摩擦阻力，由于整个壁面受到的摩擦阻力应是所有壁面剪应力的合力，因此剪应力的大小将能直观反映出叶轮表面所受阻力的大小[3]．图2分别给出了不同工况条件下具有光滑表面和仿生表面的叶片近壁面剪应力的分布云图，红框部分为布置仿生表面的主要区域．通过CFX-Post进行后处理，在叶片工作面从进口到出口按等间距取20组点导出对应的剪应力数值，对这些数据取平均值，计算出叶片工作面所受的平均剪应力如表2所示．由图2可以直观看出：进入叶轮流道内的流体速度较低，在叶片壁面的剪应力较小；在叶轮出口图2不同叶片的剪应力云图(色标单位：Pa)表2叶片的平均剪应力流量平均剪应力/Pa剪应变/%光滑叶片仿生叶片0.8Qd22.0217.1322.161.0Qd40.6330.0126.201.2Qd85.1360.7529.001.4Qd98.0071.1327.50处，壁面剪应力和流体速度达到最大值；仿生叶片出口处的壁面剪应力相比于光滑叶片变化平缓；流量的增加，光滑叶片出口处高剪应力区明显增加，仿生叶片在该区域剪应力降低明显．由表2可知：布置仿生表面泵叶片工作面上剪应力可以降低10～20Pa，仿生叶片离心泵在大流量下的减阻效果最佳，剪应力变化率随着流量的增加而增大，在1.4Qd时变化率开始出现下降．由此可见，仿生表面叶
·116·华中科技大学学报（自然科学版）第48卷生叶片表现为增阻效果．从0.8Qd工况开始，仿生叶片扭矩小于光滑表面，效率开始增加，因此在设计工况点附近，仿生叶片开始产生减阻效果；当1.2Qd时减阻效果最好，减阻率为3.1%，效率提高值最大为2.06%；在流量增加到1.4Qd后，仿生表面黏性阻力抑制效果开始减弱，减阻率与效率变化率出现下降．图3不同叶轮的总扭矩与效率情况3离心泵仿生叶片降噪效果分析通过仿生叶片产生的减阻作用，可以减少水流的湍动程度从而减小水流入射到壳壁上的脉动压力，降低泵内声场的噪声．为了对比验证仿生叶片的降噪效果，分别对不同工况下仿生叶片离心泵及普通光滑叶片离心泵近场声功率级和远场声压级进行仿真计算．3.1泵内流场分析采用Q准则判别流体微团的旋涡程度，选取QCrit=0.1(QCrit表示Q/Qmax的无量纲值，Qmax为涡量最大值)对叶轮内涡结构进行分析，采用涡表面湍动能进行渲染，如图4所示，图中：WTKE为湍动能；涡量变化率QCrit取值0～1．由图4黑色方框放大图可见：由于仿生结构在旋转过程中会在叶片表面出现涡结构，但沟槽分布是沿着液流流线分布，因此仿生叶片表面的涡结构尺度很小，且湍动能较低，对声功率贡献很小．由图4整个叶轮流道内的涡结构图可见：仿生叶片相比光滑叶片流道内涡结构明显减少，仿生叶片表面存在沟槽，破坏了脱流及尾迹涡，导致尾流区面积减小，故叶轮壁面的湍流脉动将会得到有效的控制．仿生叶片破坏了叶片表面内涡结构，使得大尺寸涡变为小尺度涡，影响湍动能的变化及内场声功率级分布，进而减小流道内的声功率[11]．由此，可以预测出仿生叶片泵内?
【参考文献】：
期刊论文
[1]离心泵叶片仿生非光滑结构的布置位置[J]. 代翠,陈怡平,董亮,王照雪. 排灌机械工程学报. 2020(03)
[2]流体激励下多级离心泵辐射噪声特性研究[J]. 刘厚林,李钰,王凯,刘中纯. 华中科技大学学报(自然科学版). 2017(11)
[3]管道输油泵流体噪声模拟及泵噪声测试方法[J]. 卢永刚,王洋,王秀礼,朱荣生,邱伟峰,方杰. 排灌机械工程学报. 2017(08)
[4]非光滑表面离心泵叶轮的流动减阻特性[J]. 牟介刚,代东顺,谷云庆,刘剑,郑水华,WANG Evan. 上海交通大学学报. 2016(02)
[5]基于仿生耦合功能表面的离心水泵增效机制研究[J]. 田丽梅,梅浩然,李新红,王银慈,杨乐,邵鹏. 农业机械学报. 2015(04)
[6]轴流风机仿生叶片降噪试验研究及机理分析[J]. 孙少明,徐成宇,任露泉,张永智. 吉林大学学报(工学版). 2009(02)
[7]基于子波变换的周期扰动下壁湍流涡结构多尺度分析[J]. 王昕. 实验力学. 2003(03)
[8]随行波表面水下减阻降噪技术和机理研究综述[J]. 宋保维,潘光,沙辉,张建辉. 鱼雷技术. 2001(04)
硕士论文
[1]非光滑表面流动减阻特性在离心泵上的应用研究[D]. 代东顺.浙江工业大学 2015
本文编号：2917953
【文章来源】：华中科技大学学报(自然科学版). 2020年09期 北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
外特性试验与数值计算比较2.2叶片壁面的剪应力
媸?萦胧笛槭?莘⑾郑?疃üた鱿拢?锍淘げ?值与试验值的偏差约3.1%，在大流量工况1.4Qd下偏差最大为4.1%．由于没有考虑圆盘摩擦损失和泄漏损失，因此在大流量情况下误差较大，效率间的最大误差小于7.5%，说明所采用的离心泵的CFD数值计算方法较为合理．图1外特性试验与数值计算比较2.2叶片壁面的剪应力当流体出现相对滑移时会产生切向剪应力，进而产生摩擦阻力，由于整个壁面受到的摩擦阻力应是所有壁面剪应力的合力，因此剪应力的大小将能直观反映出叶轮表面所受阻力的大小[3]．图2分别给出了不同工况条件下具有光滑表面和仿生表面的叶片近壁面剪应力的分布云图，红框部分为布置仿生表面的主要区域．通过CFX-Post进行后处理，在叶片工作面从进口到出口按等间距取20组点导出对应的剪应力数值，对这些数据取平均值，计算出叶片工作面所受的平均剪应力如表2所示．由图2可以直观看出：进入叶轮流道内的流体速度较低，在叶片壁面的剪应力较小；在叶轮出口图2不同叶片的剪应力云图(色标单位：Pa)表2叶片的平均剪应力流量平均剪应力/Pa剪应变/%光滑叶片仿生叶片0.8Qd22.0217.1322.161.0Qd40.6330.0126.201.2Qd85.1360.7529.001.4Qd98.0071.1327.50处，壁面剪应力和流体速度达到最大值；仿生叶片出口处的壁面剪应力相比于光滑叶片变化平缓；流量的增加，光滑叶片出口处高剪应力区明显增加，仿生叶片在该区域剪应力降低明显．由表2可知：布置仿生表面泵叶片工作面上剪应力可以降低10～20Pa，仿生叶片离心泵在大流量下的减阻效果最佳，剪应力变化率随着流量的增加而增大，在1.4Qd时变化率开始出现下降．由此可见，仿生表面叶
·116·华中科技大学学报（自然科学版）第48卷生叶片表现为增阻效果．从0.8Qd工况开始，仿生叶片扭矩小于光滑表面，效率开始增加，因此在设计工况点附近，仿生叶片开始产生减阻效果；当1.2Qd时减阻效果最好，减阻率为3.1%，效率提高值最大为2.06%；在流量增加到1.4Qd后，仿生表面黏性阻力抑制效果开始减弱，减阻率与效率变化率出现下降．图3不同叶轮的总扭矩与效率情况3离心泵仿生叶片降噪效果分析通过仿生叶片产生的减阻作用，可以减少水流的湍动程度从而减小水流入射到壳壁上的脉动压力，降低泵内声场的噪声．为了对比验证仿生叶片的降噪效果，分别对不同工况下仿生叶片离心泵及普通光滑叶片离心泵近场声功率级和远场声压级进行仿真计算．3.1泵内流场分析采用Q准则判别流体微团的旋涡程度，选取QCrit=0.1(QCrit表示Q/Qmax的无量纲值，Qmax为涡量最大值)对叶轮内涡结构进行分析，采用涡表面湍动能进行渲染，如图4所示，图中：WTKE为湍动能；涡量变化率QCrit取值0～1．由图4黑色方框放大图可见：由于仿生结构在旋转过程中会在叶片表面出现涡结构，但沟槽分布是沿着液流流线分布，因此仿生叶片表面的涡结构尺度很小，且湍动能较低，对声功率贡献很小．由图4整个叶轮流道内的涡结构图可见：仿生叶片相比光滑叶片流道内涡结构明显减少，仿生叶片表面存在沟槽，破坏了脱流及尾迹涡，导致尾流区面积减小，故叶轮壁面的湍流脉动将会得到有效的控制．仿生叶片破坏了叶片表面内涡结构，使得大尺寸涡变为小尺度涡，影响湍动能的变化及内场声功率级分布，进而减小流道内的声功率[11]．由此，可以预测出仿生叶片泵内?
【参考文献】：
期刊论文
[1]离心泵叶片仿生非光滑结构的布置位置[J]. 代翠,陈怡平,董亮,王照雪. 排灌机械工程学报. 2020(03)
[2]流体激励下多级离心泵辐射噪声特性研究[J]. 刘厚林,李钰,王凯,刘中纯. 华中科技大学学报(自然科学版). 2017(11)
[3]管道输油泵流体噪声模拟及泵噪声测试方法[J]. 卢永刚,王洋,王秀礼,朱荣生,邱伟峰,方杰. 排灌机械工程学报. 2017(08)
[4]非光滑表面离心泵叶轮的流动减阻特性[J]. 牟介刚,代东顺,谷云庆,刘剑,郑水华,WANG Evan. 上海交通大学学报. 2016(02)
[5]基于仿生耦合功能表面的离心水泵增效机制研究[J]. 田丽梅,梅浩然,李新红,王银慈,杨乐,邵鹏. 农业机械学报. 2015(04)
[6]轴流风机仿生叶片降噪试验研究及机理分析[J]. 孙少明,徐成宇,任露泉,张永智. 吉林大学学报(工学版). 2009(02)
[7]基于子波变换的周期扰动下壁湍流涡结构多尺度分析[J]. 王昕. 实验力学. 2003(03)
[8]随行波表面水下减阻降噪技术和机理研究综述[J]. 宋保维,潘光,沙辉,张建辉. 鱼雷技术. 2001(04)
硕士论文
[1]非光滑表面流动减阻特性在离心泵上的应用研究[D]. 代东顺.浙江工业大学 2015
本文编号：2917953
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