翼型表面开孔对其空化性能的影响

朱晓东，刘小兵，田长安

(西华大学流体及动力机械教育部重点实验室，成都 610039)

在一定水温下，由于压强降低到某一值使水中的气泡(气核)迅速膨胀成含有水蒸汽或其他气体的明显气泡，这一现象称之为“空化”。当气泡流经固体表面压强较高的地方时不间断溃灭产生的瞬间大压强的反复作用会严重破坏固体表面，这种现象称之为“空蚀”，是空泡不断的形成、发育和溃灭的过程[1,2]。

基于上述国内外学者的研究，本研究通过在非对称翼型低压区布置不同孔径和不同形式的微孔来研究微孔对优化翼型空化性能的影响，孔径共4种，每种孔径均布置了单孔、三角形孔、梅花形孔3种形式，孔径和布置形式可得12种翼型结构，加上无孔翼型共计13种。本研究中的翼型是构成水力机械转轮叶片的基元，研究成果可以为后续更进一步的研究解决水力机械的空化空蚀问题提供一些基础的理论依据。

1 模型与数值方法

1.1 模型参数及网格

做了微孔面积与无孔翼型上表面积比值从0.001 7%～0.162 9%的不同翼型，将翼型放置在一个三维圆台流道内，Re为1.27×106，以翼型前缘顶点为坐标中心，圆台总长600 mm，翼型位于圆台进口面200 mm处，翼型长100 mm，圆台进口直径80 mm，出口直径160 mm，翼型上的微孔直径有0.5 mm(0.001 7%)、1 mm(0.006 8%)、1.5 mm(0.015 3%)、2 mm(0.027 2%)4种。通过UG软件分别建立这13种翼型结构的三维几何模型，采用ICEM对不同翼型结构进行四面体混合网格划分，在图1与图2中以无孔模型和1.5 mm孔梅花形模型为例，给出模型示意图与网格划分图。

图1 无孔模型与1.5 mm梅花形孔翼型模型图Fig.1 Non-porous model and 1.5 mm quincunx airfoil model diagram

图2 无孔模型与1.5 mm梅花形孔模型网格划分图Fig.2 Mesh diagram of non-porous model and 1.5 mm quincunx hole model

1.2 边界条件

应用计算流体力学软件Fluent18.0，采用RNGk-ε湍流模型和欧拉多相流模型对不同翼型结构进行绕流流场数值计算，在计算中，采用标准壁面函数，首相是液态水，第二相是气体，气体体积分数为0.03，计算边界采用速度入口，攻角为0，液相速度为12 m/s，气相速度为12.1 m/s，自由出流出口。

1.3 控制方程

为了更好的模拟不同翼型结构周围表面的流场流动，文中采用气液两相流的RNGk～ε模型[19]。

液体相连续方程：

(1)

气体相连续方程：

(2)

液体相动量方程：

(3)

气体相动量方程：

(4)

湍动能k方程：

(5)

湍动能扩散率ε方程：

(6)

2 计算结果分析

2.1 确定开孔位置

在本研究中，对无孔翼型绕流流场分析，见图3(a)，根据无孔翼型的静压分布云图，若以翼型前缘中心为坐标原点，在点A(20,0,0)处布置单孔，若多孔时，以梅花形孔为例，点A为梅花形中心点，其余五点均匀的分布在点A周围，中心孔与其周围孔的距离均是孔直径的二倍。得到不同孔径和形式的微孔，经过对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压区范围最小，见图3(b)。对比分析图3(a)和图3(b)，可以明显看出在翼型表面开孔后，在此面积比(0.091 7%)下翼型表面的低压区压力显著的增大，从而延缓空化初生的发生。

图3 无孔翼型与1.5 mm梅花形孔翼型的静压分布云图Fig.3 Static pressure distribution cloud diagram of non-porous airfoil and 1.5 mm quincunx airfoil

2.2 不同开孔翼型的面积比

以微孔的直径、个数和布置形式的不同共有12种开孔翼型，每种翼型的微孔面积与无孔翼型的上表面积的面积比见表1。

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

2.3 开孔前后翼型上、下方静压分布分析

以翼型前缘顶点为坐标原点，在不同翼型结构的计算区域内部同一位置处取一个面，命名此面为m1,m1面内一点(-0.000 947 8，-0.000 193 6,0.113 151 9)和该面法线向量{0,0,1}确定此面。

图4中(a)、(d)、(g)、(j)、(m)为无孔翼型与单孔翼型、图4(b)、(e)、(h)、(k)、(n)为无孔翼型与三角形孔翼型、图4(c)、(f)、(i)、(l)、(o)为无孔翼型与梅花形孔翼型，无孔翼型与3种开孔翼型的排列方式是从上至下，3种类型的孔径均是从小到大(0.5～2 mm)。从无孔翼型的静压云图中可以看出来，当流体在流道内遇到翼型前缘的阻碍时，流速会下降，压力就会升高使翼型前缘压力突然增大，形成一片高压区，当流体绕流翼型前缘后，在翼型上方会看到一个明显的低压区域，在翼型下方的低压区明显小于翼型上方，翼型上、下方的压力变化趋势是由大变小再变大，绕过翼型尾缘后压力逐渐趋向一致。

图4 微孔翼型与无孔翼型的m1面上的静压分布云图Fig.4 Static pressure distribution cloud diagram on the m1 plane of micropore airfoil and non-porous airfoil

对比无孔翼型，开孔翼型的压力分布与无孔翼型的趋势是一致的。无孔翼型与不同孔径的3种类型的翼型表面压力分布之间的对比得出2 mm单孔翼型、1.5 mm的三角形孔翼型和梅花形孔翼型上下方的低压区范围最小；同一孔径不同孔类型的翼型表面压力分布之间的对比得出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压区范围最小；同一面积比不同孔径和布置形式下开孔翼型之间的对比得出随着孔径的增大，2 mm单孔(0.027 2%)的低压区范围趋向于与1 mm三角形孔(0.027 2%)翼型的，但0.5 mm三角形孔(0.006 8%)的低压区范围要明显小于1 mm单孔(0.006 8%)。对按照不同的因素对比分析得出的低压区分布小的翼型结构再对它们表面压力分布进行对比分析，得出2 mm单孔翼型表面比0.5 mm三角形孔翼型表面的低压区范围更小。本研究中1.5 mm梅花形孔翼型是13种翼型中上下方的低压区范围最小的。综合以上分析可以得出，翼型开孔可以明显减小翼型表面的低压区分布范围，减少的范围与微孔的个数、孔径的大小、布置方式都有关系。

3 结 论

(1)无孔翼型绕流流场得出翼型上方低压区范围要大于翼型下方，且不同翼型结构的上、下方压力变化趋势是由大变小再变大，绕流翼型尾缘后压力逐渐趋向一致。

(2)开孔翼型均改变了绕流无孔翼型的流场，增大了低压区的压力，减小了低压区的范围，抑制了空化初生，减少了空蚀的危害。1.5 mm梅花形孔(0.0917%)翼型周围的低压区范围是本研究中最小的。

(3)2 mm单孔翼型表面比0.5 mm三角形孔翼型表面的低压区范围更小，需要综合考虑微孔的个数、孔径的大小、布置方式这3个因素。