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《北京理工大学》 2016年
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叶顶间隙旋涡空化数值计算模型与流动机理研究

赵宇  
【摘要】:旋涡空化是当前空化研究领域的热点问题之一,作为一种典型的旋涡空化流动,间隙旋涡空化流动是水力机械内部的常见现象,其发生发展严重影响机组效率和运行稳定性;开展间隙旋涡空化现象的研究具有重要的科学意义和工程应用价值。为了探究间隙旋涡空化流动特性,揭示空化旋涡流动机理,作者开展了绕矩形水翼间隙空化流动的实验研究,建立了一种考虑旋涡运动对相间质量传输过程影响的空化模型,结合实验和数值方法对间隙旋涡空化流动机理进行了深入研究。主要内容及结论如下:获得了间隙旋涡空化的形态变化及其非定常演化过程,定义了空化涡带、间隙附着空化以及剪切层空化三种空化形态并获得了其非定常演化过程:随着空化数的降低,间隙附着空化逐渐发展并延伸至间隙之外,与空化涡带相互作用,形成具有显著非定常特性的三角形剪切层空化。得到了攻角和间隙尺寸对非定常演化过程的影响:攻角从AOA=2°增加到AOA=6°时,间隙区域空化流动由尾迹形式逐渐向射流形式转变,剪切层空化周期性破裂和重构过程逐渐产生。无量纲间隙尺寸从=0.061增加到=0.427时,间隙区域空化流动由射流形式逐渐向尾迹形式转变,剪切层空化周期性破裂和重构过程逐渐消失。研究了攻角和间隙尺寸对间隙旋涡空化流体动力特性的影响:攻角从AOA=2°增加到AOA=6°时,时均升力系数逐渐上升,低频波动的能量分布逐渐集中;间隙尺寸从=0.061增加到=0.427时,升力系数高频波动能量分布逐渐集中,间隙尺寸=0.244工况的水翼时均升力系数最大。建立了考虑旋涡运动对相间质量传输过程影响的空化模型,通过对旋涡空化流动的计算表明该空化模型对不同湍流模型具有良好的适用性,计算精度高于传统Zwart模型。针对间隙旋涡空化流动的定常计算结果表明:旋涡空化模型可以准确模拟由于叶顶间隙旋涡结构耗散引起的汽液相间质量传输过程,预测间隙空化涡带长度大于Zwart模型预测结果,与实验结果相吻合。针对二维云状空化流动的非定常计算结果表明:旋涡空化模型可以准确模拟由于大尺度脱落旋涡结构的耗散引起的汽液相间质量传输过程,对云状空泡脱落过程的预测能力优于Zwart模型。针对间隙旋涡空化流动的非定常计算结果表明:旋涡空化模型不仅可以较好地捕捉叶顶间隙区域空化涡带、间隙附着空化和剪切层空化的非定常演化过程,也可以准确捕捉水翼吸力面附近前缘空化的局部以及大尺度脱落过程。揭示了间隙旋涡空化非定常流动机理:当叶片前缘空化发展至片状空化时,水翼尾缘涡的非定常脱落过程会导致间隙空化涡带产生高频辫状螺旋式波动;当前缘空化发生断裂和脱落时,周期性脱落的空泡团显著改变叶顶附近的迎背流面压力差值,从而引起剪切层空化的低频周期性的破裂和重构。获得了间隙区域空化旋涡结构动力特性的演化规律:随着空化数的降低,前缘空化的发展会导致叶顶区域水翼迎背流面压力差值减小,从而导致旋涡结构的速度环量降低。得到了攻角和间隙尺寸对旋涡结构动力特性的影响:随着攻角从AOA=2°增加到AOA=6°,旋涡结构的速度环量逐渐增加,最大值分布位置向水翼前缘移动,速度环量开始出现显著下降时对应的空化数逐渐升高。间隙尺寸从=0.061增加到=0.244,旋涡结构的速度环量增加,而间隙尺寸从=0.244增加到=0.427,旋涡结构的速度环量减小;间隙尺寸的增加引起叶顶迎背流面压力差先增加后减小的变化规律是导致速度环量产生先增加后减小的原因。
【学位授予单位】:北京理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TK72

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【参考文献】
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