叶顶间隙泄漏涡流及空化流场特性研究

【摘要】：叶顶间隙泄漏流是轴流式水力机械中的典型流动现象,伴随丰富的涡流运动及涡空化现象,严重影响水力机械的安全稳定运行。在旋涡与空化的相互作用下,涡空化的流动机理十分复杂。本文采用数值模拟技术,开展间隙涡流及涡空化的计算方法及流场特性研究。首先,以单一水翼为研究对象,分析了旋转与曲率修正的湍流模型对翼端间隙泄漏涡的适用性。通过与SST k-ω模型对比,修正湍流生成项的SST-CC模型可以更准确获得下游泄漏涡的速度分布,与参考实验结果吻合。获得了涡量和压力沿泄漏涡轨迹的变化规律,填补了实验中难以获得翼型附近涡流参数的空白。SST-CC模型改善了泄漏涡空化的预测效果,但未能捕捉到更远下游的空化涡区域。采用与旋转率和应变率比例相关的无量纲参数f*辨识涡旋强度,建立了 ZGB空化模型中的凝结系数与f*的定量关系,形成可识别涡强度的VIZGB空化模型,实现了对下游远场涡空化的合理预测。基于涡量输运方程,探讨了涡空化的流动机理。其次,考虑间隙流场对几何特征的敏感性,研究了翼端形状、间隙宽度和翼型厚度的影响。验证了圆角处理翼端边缘对抑制间隙分离涡的作用,新建符合转子叶顶几何特点的直角翼型,揭示了间隙分离涡的低压特征,发现分离涡导致泄漏量减少,分析了分离涡对泄漏涡的影响。获得了沿涡轨迹不同位置处的涡强度Γ*随间隙宽度τ的变化曲线,表明不同宽度下最大涡强出现的位置不同。新建符合轴流泵叶顶厚度设计的薄翼型,与原厚度翼型比较发现:当间隙绝对宽度值一定时,间隙泄漏量以及泄漏涡的轨迹和强度基本一致,分离涡在薄翼型中得到减弱。最后,以轴流式推进泵为对象开展旋转机械的叶顶间隙流场研究。在非空化条件下,采用SST-CC湍流模型的计算结果表明:随着流量增大,间隙泄漏涡的初生位置沿叶顶向下游移动,泄漏涡轨迹向叶片吸力面靠近;泄漏涡区域的压力脉动较强。在空化条件下,采用VIZGB空化模型的计算结果表明:随着空化数降低,空化泄漏涡的初生位置沿叶顶向下游移动,泄漏涡与叶片夹角保持不变;叶顶空化现象导致泄漏流量减小,叶顶楔形空化末端区域的压力脉动较强。研究了间隙宽度对叶顶涡流及空化的影响。随着间隙宽度增大,泄漏涡区域扩大,涡强增强,初生位置向下游移动,叶顶空化随泄漏涡而相应变化。定量比较叶顶和叶片表面空泡体积随空化数的变化,发现间隙宽度主要影响叶顶空化区,而该区域的增加是导致较宽间隙下泵的临界空化系数增加以及性能陡降的关键因素。本文取得的研究成果,为合理预测间隙涡流及涡空化奠定了基础,对于间隙涡流及其空化影响下的轴流式水力机械特性研究具有指导意义。