水翼及軸流泵非定?？栈匦匝芯?pdf

1、水力機(jī)械中發(fā)生的空化現(xiàn)象是一種涉及相變、非穩(wěn)態(tài)和多尺度湍流的復(fù)雜多相流現(xiàn)象。軸流泵空化通常會(huì)導(dǎo)致泵機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)、噪音以及氣蝕破壞等不良現(xiàn)象，由此對(duì)軸流泵空化現(xiàn)象進(jìn)行深入的研究。由于軸流泵的過(guò)流部件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，影響流場(chǎng)中空化發(fā)展的因素眾多，直接研究軸流泵中的空化現(xiàn)象非常困難。因此，在本文的研究中，遵循循序漸進(jìn)的原則，逐步從繞二維翼型流場(chǎng)中的空化現(xiàn)象，到三維效應(yīng)下繞扭曲翼型流場(chǎng)中的空化現(xiàn)象，最后研究軸流泵中發(fā)生的復(fù)雜非穩(wěn)態(tài)空化現(xiàn)象。本項(xiàng)目

2、在國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目:軸流泵葉頂泄漏渦云狀空化脫落肌理與不穩(wěn)定控制(51479083)的資助下開(kāi)展了水翼和軸流泵的非穩(wěn)態(tài)空化研究，取得的主要內(nèi)容及成果:
　　(1)本文選用Zwart均相流空化模型作為本文空化流數(shù)值計(jì)算的空化模型，對(duì)比分析了基于密度修正的DCM SSTk-ω模型和局部時(shí)均化模型(PANS)兩種湍流模型。數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)PANS模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性以及流場(chǎng)局部細(xì)節(jié)的預(yù)測(cè)能力優(yōu)于DCM SST模型;基于PANS模型的

3、數(shù)值模擬結(jié)果表明，繞二維翼型流場(chǎng)中空穴的斷裂及分離發(fā)生了兩次;并發(fā)現(xiàn)由回射流與流過(guò)翼型上下表面的主流相互作用，形成的具有相反旋轉(zhuǎn)方向的漩渦對(duì)是斷裂后的后半部分空穴轉(zhuǎn)變成云空穴的重要原因;云空穴形成后形成的位于云空穴上游的局部高壓區(qū)及其擴(kuò)散的壓力波抑制了翼型前緣殘留空穴的發(fā)展。
　　(2)選取一個(gè)攻角沿展向變化的三維扭曲翼型作為研究對(duì)象，在人為控制的三維效應(yīng)下，研究了繞三維扭曲翼型空化流場(chǎng)中空化的發(fā)展演化情況。研究對(duì)象擴(kuò)展為三維，由

4、于網(wǎng)格數(shù)的限制原先的PANS模型已不太適合當(dāng)前的數(shù)值研究，故又引入了濾波函數(shù)湍流模型(FBM)，并對(duì)湍流粘度進(jìn)行了密度修正以解決湍流粘度過(guò)度預(yù)測(cè)的問(wèn)題;對(duì)引入的這套數(shù)值方法在繞三維扭曲翼型空化流場(chǎng)中進(jìn)行了數(shù)值方法驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)預(yù)測(cè)的空泡總體積以及平均升力均與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好，而且數(shù)值模擬所得到的空穴發(fā)展演化過(guò)程與高速攝影圖像吻合較好，驗(yàn)證了所采用的數(shù)值方法以及網(wǎng)格在繞三維扭曲翼型空化流場(chǎng)的數(shù)值模擬研究中具有良好的適應(yīng)性和準(zhǔn)確性;通過(guò)比較空泡

5、體積分?jǐn)?shù)所描述的空穴輪廓在流場(chǎng)中的發(fā)展演化圖以及使用Q準(zhǔn)則等值面所預(yù)測(cè)的漩渦結(jié)構(gòu)在流場(chǎng)中的發(fā)展演化圖，發(fā)現(xiàn)空穴與漩渦在流場(chǎng)中的位置以及演變趨勢(shì)一致，說(shuō)明兩者之間存在緊密的關(guān)聯(lián)特性;通過(guò)扭曲翼型中間截面上的空泡體積分?jǐn)?shù)云圖與渦量幅值云圖，可看到流場(chǎng)中的空化發(fā)展誘導(dǎo)產(chǎn)生了漩渦，而漩渦出現(xiàn)后又加劇了空穴的不穩(wěn)定性，漩渦的低壓又引起了空化發(fā)生。
　　(3)針對(duì)軸流泵葉頂區(qū)復(fù)雜空化問(wèn)題，在無(wú)空化單相流情況下比較了數(shù)值模擬和試驗(yàn)得到的流量-揚(yáng)

6、程曲線，驗(yàn)證了所采用的網(wǎng)格以及數(shù)值方法在該軸流泵這一具體應(yīng)用環(huán)境下中的適用性;計(jì)算了在三種不同工況下的空化特性曲線并與試驗(yàn)獲得的空化特性曲線進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)NPSHr數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)的誤差均在10％以內(nèi)，數(shù)值計(jì)算精度符合要求;研究了額定工況不同空化數(shù)工況條件下軸流泵葉輪內(nèi)部的兩種主要空化形式，發(fā)現(xiàn)在葉片吸力面的附著型空穴的生長(zhǎng)與翼型空化流場(chǎng)中空穴的生長(zhǎng)推進(jìn)方式有較大區(qū)別，附著空穴的生長(zhǎng)在徑向存在很大差異。而位于葉頂區(qū)的空化，隨著空化數(shù)的

7、降低，葉頂射流剪切層也產(chǎn)生空化，葉頂間隙區(qū)的間隙空穴、剪切層空化和泄漏渦帶空穴逐漸連成一片，形成三角形的葉項(xiàng)空穴區(qū)，葉頂空穴區(qū)的尾部在崩潰后會(huì)形成次生空泡群并在高壓區(qū)潰滅;最后，研究了軸流泵非穩(wěn)態(tài)條件下的空化現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)軸流泵中可能由于葉輪的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響使其空化發(fā)展的周期要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于同等條件下繞翼型流場(chǎng)中的空化發(fā)展周期;軸流泵葉頂區(qū)域的空穴脫落與二維翼型空化流場(chǎng)中的空穴脫落有些相似，均發(fā)生了兩次，但兩者的脫落方式以及位置不同;最后詳細(xì)的對(duì)