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错列叶栅内部水动力学特性与汽液两相流动的研究

康灿  
【摘要】: 流体机械转轮内部的复杂汽液两相流动一直是工程界和学术界关注的热点问题,汽泡动力学行为与空化机理也是当前的前沿课题。错列叶栅的应用主要来自于军事领域,水泵和水轮机叶轮中的长短叶片也是一种错列叶栅,在以水为主要介质的前提下研究其内部流体动力学行为及汽液两相流动特征可以作为开展相应转轮内空化流动研究的工作基础。 本文首先对二维翼型周围的空化现象进行了理论分析,并迭代求解了NACA4412翼型周围空化区形态。对于离心式转轮,在势流理论前提下对其三维叶片沿叶高方向进行剖分后求解了各个剖面前缘附近的空化形态。从基本流动参数分布特性出发来揭示复杂流动机理,在闭式循环水洞实验台上对组合NACA4412错列叶栅和组合Hydrofoil 915错列叶栅进行了实验研究。首次进行了错列叶栅表面压力的测量,得到了不同雷诺数(Re)、不同攻角下的压力分布特性;从汽泡-流动-边壁三者的相互作用入手,首次运用高速数码摄影技术观测了错列叶栅内的汽液两相流型;对错列叶栅内部流动分析及汽液两相流型的定义有重要意义;首次描述了错列叶栅内局部汽泡变形特征和尾缘处汽泡团的演化特征,论证了流动和边壁对汽泡特征的影响机制。以上研究为错列叶栅内部流动和汽泡动力学行为研究提供了参照,并进一步推动了复杂汽液两相流动中界面行为的研究。 论文的另一部分工作是对配置错列、不同弦长叶型的转轮内部流动进行了空化形态预测。基于雷诺平均的Navier-Stokes方程,将界面追踪模型和本构方程相结合,建立了三维空化流动模型;以无空化流场为初场,进行了空化计算,首次对配置错列叶片的转轮内部的空化型式进行了三维描述,定位了空化发生的位置及形态特征。以上研究在前人的研究基础上进一步丰富了对流体机械内部流动机理与空化流动特性的认识。


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