离心泵仿生微结构叶片减阻特性的仿真研究

目的 通过在离心泵叶片表面布置仿生微结构实现离心泵的减阻,并获得仿生微结构的最优化设计参数。方法 研究利用仿真模拟的方法,采用离心泵的扭矩变化对其减阻性能进行表征,考虑了仿生微结构的形态、截面形状和特征高度等结构参数的影响规律,通过分析叶片表面的湍流动能、剪切应力和近壁面层的速度云图揭示仿生微结构对离心泵减阻特性的影响机理。结果 在3种微结构形态中,流向沟槽的减阻效果最好;在3种截面形状的微结构中,矩形截面的减阻效果最好;离心泵减阻率并非随微结构特征尺寸单调变化,而是存在最优值;所有微结构的减阻率均随着流量的增加而增加。当叶片表面布置流向、矩形沟槽时离心泵具有最优的减阻效果,且在全流量工况范围流向矩形沟槽结构的最大减阻率为8.39%。结论 叶片表面微结构的布置可以实现离心泵减阻,其减阻机理与近壁面流体流动行为有关。表面微结构可有效降低叶片壁面的速度梯度,使速度沿壁面法线方向过渡更加均匀,且微结构内部低速流体层可有效控制和减弱近壁面区的湍动程度,减少湍流动能损耗;同时微沟槽内的反向涡流具有类“滚动轴承”作用,将滑动摩擦转换为滚动摩擦,降低摩擦阻力。