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离心泵叶片表面空化冲击强度非定常特性研究

刘祥  
【摘要】:水力机械由于工作介质的特殊性,其运行过程中容易发生空化,伴随空化产生的负作用制约着水力机械向高效、稳定与节能的方向发展。泵、水轮、螺旋桨等水力机械内部空化现象更加复杂,处于严重空化时会产生空化噪声,机械振动,材料疲劳破损等负面效应。因此,研究空化与空蚀的形成机理,预测空化过程对固壁表面的作用规律具有重要的工程应用价值。本文使用修正的湍流模型,基于空泡动力学方程对空化非定常演变过程空泡脱落机理及其脉动特性进行了数值模拟,并将求解结果与实验进行对比,量化了不同空化结构的冲击能量。本文的主要研究内容与创新成果如下:(1)详细总结了空化与空蚀相关研究,并对空泡动力学基本理论进行梳理,将现阶段数值模拟使用的数学模型进行分类,重点总结空化非定常演变相关的流动机理。(2)针对工程常用的湍流模型对流体域粘度过渡预测的问题,采用混合密度分域的数值计算方法,对原始湍流进行了修正,同时考虑空化非定常过程中湍动能对饱和蒸汽压的影响,并对修正后的湍流模型进行适用性评价,结果表明该修正方法能够精确捕捉空化的非定常行为。(3)回射流的非定常演变过程中,其非定常空化演化过程可以分为三个阶段:(I)附着型空泡生长;(II)附着型空泡发展与回射流传递;(III)云状型空化形成与溃灭。同时,翼型表面空泡结构的非定常过程伴随当地局部压力的剧烈变化,且空泡群规模以及距离壁面的远近都直接影响翼型表面的压力幅值。在云状空化溃灭阶段,翼型表面压力的幅值为该周期最大值。(4)激波非定常演变过程中,其非定常演化过程可以分为四个阶段:(I)空化初生与附着型空泡生长;(II)附着型空泡卷起;(III)激波的产生与传递;(IV)附着型空泡脱落与大尺度云状空泡溃灭。激波发展过程与回射流发展过程的显著区别在于空泡溃灭的形式。在激波对空泡的作用过程中,空泡呈不均匀、多尺度的非连续型状态,且激波作用前后当地的空泡体积分数,声速以及空泡结构都将发生剧烈变化。(5)针对空泡对固壁面的冲击作用,提出空化冲击能量的数学模型,量化空泡溃灭、坍缩与结构改变等非定常行为对固壁表面的破坏作用,预测不同空化形式对固壁表面产生的冲击能量。空化冲击能主要来自当地压力与空泡体积分数的改变,且空泡的溃灭与相间剧烈变化是空化冲击能生成的主要原因。(6)使用修正后的湍流模型对离心泵内部空化及其非定常过程中内部流动结构进行数值模拟。对离心泵三个典型工况进行空化数值模拟,并将模拟结果与实验进行对比。同时,分析叶轮流道内空泡的非定常行为对叶轮表面产生的空化冲击载荷,量化空化冲击能,预测出离心泵叶片表面空蚀的高风险区域。


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