黏度相关的能量耗散与局部柔性泵导叶在水性工艺液体输送中的流动响应

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Viscosity dependent energy dissipation and flow response of a locally compliant pump guide vane in aqueous process-liquid transport

　　• 柔性边界响应在不同黏度条件下呈非单调变化。• 协调的边界运动减弱涡旋持续性并降低耗散。• 持续的压力主导作用支持协调的柔性响应。• 相位关系有助于区分协调与失配响应。引言水处理工艺中的液体输送通常会因成分、浓度和运行状态的差异而产生显著的黏度变化 [1], [2], [3]。这些黏度差异会改变泵流道内的动量输运、边界层发展和流动分离，进而影响水力损失和泵送能耗 [4], [5], [6], [7]。传统导叶设计是针对特定流体特性进行优化的，一旦局部流动状态发生变化，便无法适应。引入局部柔性区域可使导叶在水动力载荷下发生变形，并被动地调节邻近流动，这为变黏度液体输送中提高适应性提供了潜在途径。然而，这种变形究竟是削弱分离流动结构，还是仅仅重新分布分离流动结构，取决于流体激励与边界运动之间的耦合响应。因此，阐明这种与黏度相关的响应，对于评估局部柔性导叶在水处理工艺液体输送中的适用性至关重要。黏度对泵性能的影响源于其对内部流道内动量输运和分离流动演化的调控。黏度变化会改变叶轮、扩压器和导叶等水力部件中的动量扩散、速度梯度和动量交换，从而影响低动量流体的积聚以及流动分离和回流的发生与持续 [5], [7], [8], [9]。时间分辨PIV测量进一步表明，黏性效应会改变涡旋位置、速度矢量偏转、速度剖面发展和湍流动能分布 [8]，从而导致分离流动的空间组织和时间演化发生相应变化。这些变化还会重塑非定常压力载荷和不可逆耗散的分布。熵产分析表明，高耗散区域与流动分离、涡旋演化和强速度梯度密切相关 [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16]。近期，Ge等人 [17] 的研究表明，液体黏度会改变海底多相泵的水力性能、气液分布、低速区域和熵产特性，进一步将黏度引起的流动重组与能量转换损失联系起来。然而，他们的研究聚焦于刚性泵内部流动的直接响应，未考虑柔性边界与分离流动演化之间的双向相互作用。因此，黏度不仅影响平均水力状态，还影响分离流动结构、压力脉动和不可逆耗散的耦合演化。局部柔性边界已在空气动力学、航空航天和叶栅流动应用中得到广泛研究，因为其在压力载荷、黏性剪切和涡旋诱导激励下的变形能够反馈作用于周围流动 [18], [19], [20], [21], [22]。近期研究还考察了受限流动构型中涉及弹性边界的流固耦合作用 [23]。这种流固耦合会改变局部压力分布、边界层发展和剪切层稳定性 [19], [20], [21], [22], [24], [25]。在不同雷诺数和攻角下开展的研究表明，柔性运动可以改变分离位置、改变分离区域的范围，并调节主流与低动量流体之间的动量交换。它还可以改变剪切层涡旋脱落、涡旋衰减和非定常载荷波动 [24], [26], [27], [28], [29]。通过这些变化，柔性变形重新组织分离流动和涡旋结构，从而可能重新分配不可逆耗散。由此产生的响应由流体特性、来流条件和结构特性之间的动态匹配所控制。目前对柔性边界流动调节的认识主要来自外部气动流动以及覆盖有限流体特性和运行条件范围的研究 [18], [19], [20], [21], [22], [24], [25], [26], [27], [28], [29], [30]。这些发现不能直接推广到受限泵流道中，因为那里存在壁面约束、显著的压力梯度、强水动力载荷，以及分离流动、剪切层和涡旋结构之间的相互作用，形成了独特的流固耦合环境 [25], [30], [31], [32], [33], [34], [35]。在此条件下，流体特性（尤其是黏度）的变化不仅会改变作用于柔性区域的压力激励和分离流动结构，还会改变边界运动对周围流动的反馈。因此，产生的变形可能要么削弱主导分离结构，要么仅仅重新分布涡旋活动而不维持不可逆耗散的持续降低。然而，在受限泵流道中，柔性边界响应与分离流动耗散之间在不同流体特性条件下的耦合关系仍未得到充分理解。为解决这一不足，在泵导叶吸力面引入局部柔性区域。针对刚性和局部柔性两种构型，使用四种牛顿液体（代表水处理工艺液体在不同黏度主导特性状态）进行双向流固耦合模拟。结合压力-位移耦合分析内部流动行为和不可逆耗散，以考察柔性响应在所研究的黏度条件下如何变化。本研究聚焦于导叶流道内流体特性变化、柔性边界响应和分离流动耗散之间的关系。模型参考几何形状取自单级导叶离心泵的导叶。图1(a)展示了计算域及其主要部件。局部柔性区域的位置是通过对刚性导叶在0.7Qd工况下流场的初步考察确定的。在该部分负荷条件下，吸力面承受显著的逆压梯度，伴随低动量流体积聚和局部流动分离。柔性水力损失与流动特性图7比较了四种工作流体条件下刚性导叶（模型1）和具有局部柔性区域的导叶（模型2）的水力损失。对于两种构型，水力损失总体上从N1到N4增加，黏度越高的液体在导叶流道内表现出越大的损失。然而，柔性区域的效果在四种情况中有所不同。与模型1相比，模型2在N1和结论本研究使用四种具有不同黏度和密度组合的代表性牛顿液体，考察了局部柔性泵导叶的黏度相关能量耗散和流动响应。分析聚焦于柔性响应如何通过水动力激励、边界运动、分离流动演化和不可逆耗散的变化，在所研究的黏度条件下发生改变。以下结论适用于所研究的CRediT作者贡献声明金玲璐：写作——审阅与编辑、监督、资源、正式分析、概念化。董健：初稿写作、验证、软件、调查、数据管理。张雪：验证、软件、数据管理。王立科：写作——审阅与编辑、监督、方法学。利益冲突声明作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，可能影响本论文所报告的工作。致谢本研究受国家自然科学基金资助（资助号：52309118）。金玲璐|董健|张雪|王立科