朱曉東，劉小兵，田長(zhǎng)安

(西華大學(xué)流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610039)

在一定水溫下，由于壓強(qiáng)降低到某一值使水中的氣泡(氣核)迅速膨脹成含有水蒸汽或其他氣體的明顯氣泡，這一現(xiàn)象稱(chēng)之為“空化”。當(dāng)氣泡流經(jīng)固體表面壓強(qiáng)較高的地方時(shí)不間斷潰滅產(chǎn)生的瞬間大壓強(qiáng)的反復(fù)作用會(huì)嚴(yán)重破壞固體表面，這種現(xiàn)象稱(chēng)之為“空蝕”，是空泡不斷的形成、發(fā)育和潰滅的過(guò)程[1,2]。

基于上述國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究，本研究通過(guò)在非對(duì)稱(chēng)翼型低壓區(qū)布置不同孔徑和不同形式的微孔來(lái)研究微孔對(duì)優(yōu)化翼型空化性能的影響，孔徑共4種，每種孔徑均布置了單孔、三角形孔、梅花形孔3種形式，孔徑和布置形式可得12種翼型結(jié)構(gòu)，加上無(wú)孔翼型共計(jì)13種。本研究中的翼型是構(gòu)成水力機(jī)械轉(zhuǎn)輪葉片的基元，研究成果可以為后續(xù)更進(jìn)一步的研究解決水力機(jī)械的空化空蝕問(wèn)題提供一些基礎(chǔ)的理論依據(jù)。

1 模型與數(shù)值方法

1.1 模型參數(shù)及網(wǎng)格

做了微孔面積與無(wú)孔翼型上表面積比值從0.001 7%～0.162 9%的不同翼型，將翼型放置在一個(gè)三維圓臺(tái)流道內(nèi)，Re為1.27×106，以翼型前緣頂點(diǎn)為坐標(biāo)中心，圓臺(tái)總長(zhǎng)600 mm，翼型位于圓臺(tái)進(jìn)口面200 mm處，翼型長(zhǎng)100 mm，圓臺(tái)進(jìn)口直徑80 mm，出口直徑160 mm，翼型上的微孔直徑有0.5 mm(0.001 7%)、1 mm(0.006 8%)、1.5 mm(0.015 3%)、2 mm(0.027 2%)4種。通過(guò)UG軟件分別建立這13種翼型結(jié)構(gòu)的三維幾何模型，采用ICEM對(duì)不同翼型結(jié)構(gòu)進(jìn)行四面體混合網(wǎng)格劃分，在圖1與圖2中以無(wú)孔模型和1.5 mm孔梅花形模型為例，給出模型示意圖與網(wǎng)格劃分圖。

圖1 無(wú)孔模型與1.5 mm梅花形孔翼型模型圖Fig.1 Non-porous model and 1.5 mm quincunx airfoil model diagram

圖2 無(wú)孔模型與1.5 mm梅花形孔模型網(wǎng)格劃分圖Fig.2 Mesh diagram of non-porous model and 1.5 mm quincunx hole model

1.2 邊界條件

應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent18.0，采用RNGk-ε湍流模型和歐拉多相流模型對(duì)不同翼型結(jié)構(gòu)進(jìn)行繞流流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算，在計(jì)算中，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，首相是液態(tài)水，第二相是氣體，氣體體積分?jǐn)?shù)為0.03，計(jì)算邊界采用速度入口，攻角為0，液相速度為12 m/s，氣相速度為12.1 m/s，自由出流出口。

1.3 控制方程

為了更好的模擬不同翼型結(jié)構(gòu)周?chē)砻娴牧鲌?chǎng)流動(dòng)，文中采用氣液兩相流的RNGk～ε模型[19]。

液體相連續(xù)方程：

(1)

氣體相連續(xù)方程：

(2)

液體相動(dòng)量方程：

(3)

氣體相動(dòng)量方程：

(4)

湍動(dòng)能k方程：

(5)

湍動(dòng)能擴(kuò)散率ε方程：

(6)

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 確定開(kāi)孔位置

在本研究中，對(duì)無(wú)孔翼型繞流流場(chǎng)分析，見(jiàn)圖3(a)，根據(jù)無(wú)孔翼型的靜壓分布云圖，若以翼型前緣中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，在點(diǎn)A(20,0,0)處布置單孔，若多孔時(shí)，以梅花形孔為例，點(diǎn)A為梅花形中心點(diǎn)，其余五點(diǎn)均勻的分布在點(diǎn)A周?chē)行目着c其周?chē)椎木嚯x均是孔直徑的二倍。得到不同孔徑和形式的微孔，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析得出本研究中1.5 mm梅花形孔模型中翼型表面的低壓區(qū)范圍最小，見(jiàn)圖3(b)。對(duì)比分析圖3(a)和圖3(b)，可以明顯看出在翼型表面開(kāi)孔后，在此面積比(0.091 7%)下翼型表面的低壓區(qū)壓力顯著的增大，從而延緩空化初生的發(fā)生。

圖3 無(wú)孔翼型與1.5 mm梅花形孔翼型的靜壓分布云圖Fig.3 Static pressure distribution cloud diagram of non-porous airfoil and 1.5 mm quincunx airfoil

2.2 不同開(kāi)孔翼型的面積比

以微孔的直徑、個(gè)數(shù)和布置形式的不同共有12種開(kāi)孔翼型，每種翼型的微孔面積與無(wú)孔翼型的上表面積的面積比見(jiàn)表1。

表1 不同微孔翼型的面積比 %Tab.1 Area ratio of different micropore airfoils

2.3 開(kāi)孔前后翼型上、下方靜壓分布分析

以翼型前緣頂點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，在不同翼型結(jié)構(gòu)的計(jì)算區(qū)域內(nèi)部同一位置處取一個(gè)面，命名此面為m1,m1面內(nèi)一點(diǎn)(-0.000 947 8，-0.000 193 6,0.113 151 9)和該面法線向量{0,0,1}確定此面。

圖4中(a)、(d)、(g)、(j)、(m)為無(wú)孔翼型與單孔翼型、圖4(b)、(e)、(h)、(k)、(n)為無(wú)孔翼型與三角形孔翼型、圖4(c)、(f)、(i)、(l)、(o)為無(wú)孔翼型與梅花形孔翼型，無(wú)孔翼型與3種開(kāi)孔翼型的排列方式是從上至下，3種類(lèi)型的孔徑均是從小到大(0.5～2 mm)。從無(wú)孔翼型的靜壓云圖中可以看出來(lái)，當(dāng)流體在流道內(nèi)遇到翼型前緣的阻礙時(shí)，流速會(huì)下降，壓力就會(huì)升高使翼型前緣壓力突然增大，形成一片高壓區(qū)，當(dāng)流體繞流翼型前緣后，在翼型上方會(huì)看到一個(gè)明顯的低壓區(qū)域，在翼型下方的低壓區(qū)明顯小于翼型上方，翼型上、下方的壓力變化趨勢(shì)是由大變小再變大，繞過(guò)翼型尾緣后壓力逐漸趨向一致。

圖4 微孔翼型與無(wú)孔翼型的m1面上的靜壓分布云圖Fig.4 Static pressure distribution cloud diagram on the m1 plane of micropore airfoil and non-porous airfoil

對(duì)比無(wú)孔翼型，開(kāi)孔翼型的壓力分布與無(wú)孔翼型的趨勢(shì)是一致的。無(wú)孔翼型與不同孔徑的3種類(lèi)型的翼型表面壓力分布之間的對(duì)比得出2 mm單孔翼型、1.5 mm的三角形孔翼型和梅花形孔翼型上下方的低壓區(qū)范圍最??；同一孔徑不同孔類(lèi)型的翼型表面壓力分布之間的對(duì)比得出0.5 mm三角形孔翼型、1、1.5和2 mm梅花形孔翼型上下方的低壓區(qū)范圍最??；同一面積比不同孔徑和布置形式下開(kāi)孔翼型之間的對(duì)比得出隨著孔徑的增大，2 mm單孔(0.027 2%)的低壓區(qū)范圍趨向于與1 mm三角形孔(0.027 2%)翼型的，但0.5 mm三角形孔(0.006 8%)的低壓區(qū)范圍要明顯小于1 mm單孔(0.006 8%)。對(duì)按照不同的因素對(duì)比分析得出的低壓區(qū)分布小的翼型結(jié)構(gòu)再對(duì)它們表面壓力分布進(jìn)行對(duì)比分析，得出2 mm單孔翼型表面比0.5 mm三角形孔翼型表面的低壓區(qū)范圍更小。本研究中1.5 mm梅花形孔翼型是13種翼型中上下方的低壓區(qū)范圍最小的。綜合以上分析可以得出，翼型開(kāi)孔可以明顯減小翼型表面的低壓區(qū)分布范圍，減少的范圍與微孔的個(gè)數(shù)、孔徑的大小、布置方式都有關(guān)系。

3 結(jié) 論

(1)無(wú)孔翼型繞流流場(chǎng)得出翼型上方低壓區(qū)范圍要大于翼型下方，且不同翼型結(jié)構(gòu)的上、下方壓力變化趨勢(shì)是由大變小再變大，繞流翼型尾緣后壓力逐漸趨向一致。

(2)開(kāi)孔翼型均改變了繞流無(wú)孔翼型的流場(chǎng)，增大了低壓區(qū)的壓力，減小了低壓區(qū)的范圍，抑制了空化初生，減少了空蝕的危害。1.5 mm梅花形孔(0.0917%)翼型周?chē)牡蛪簠^(qū)范圍是本研究中最小的。

(3)2 mm單孔翼型表面比0.5 mm三角形孔翼型表面的低壓區(qū)范圍更小，需要綜合考慮微孔的個(gè)數(shù)、孔徑的大小、布置方式這3個(gè)因素。