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离心泵叶轮后盖板粗糙带抑制空化效果研究

徐泽鑫  
【摘要】:空化是水力机械领域中难以避免的水动力学现象,随着人们对空化的深入认识,部分领域如环保、医疗、化工、钻探、国防以及水加工处理等领域开始利用空化发生时所产生的高湍流及高能量转换特性,但在水力机械领域中,空化发生往往伴随着振动、噪声以及空蚀等不利因素的产生,现阶段完全消除这些空化的负面影响基本是不可能的,因此减弱及降低空化带来的危害成为众多学者研究的难点及重点,探讨有关空化流动数值方法适用性和抑制手段对于水力机械领域具有一定的研究价值。本文基于试验与数值模拟相结合的方法,对离心泵空化流动特性进行了深入探索,系统地研究了空化模型对低比转速离心泵空化性能预测精度的影响;其次,对修正前后的湍流模型粘性系数及饱和蒸汽压力进行试验验证及适用性分析;最后,通过提出在低比转速离心泵叶轮后盖板布置粗糙带的方法来抑制叶轮内部的空化发展程度。本文的主要内容和创新成果如下:在本文的第一部分,概述总结了近年来国内外有关空化流动试验、数值计算方法以及空化控制手段的研究进展,通过搭建离心泵可视化试验平台,对离心泵进行外特性以及空化性能测试,处理试验数据得到外特性性能曲线、空化特性曲线,以及由图像采集设备采集到的全工况下叶轮空泡形态发展的全过程,以此研究了低比转速离心泵内部空化流场空泡形态特性及部分重要时刻点的空化发展情况,为后续研究空化模型与湍流模型修正的适用性及其评判奠定基础。在本文的第二部分,从运输方程出发总结了六种典型的空化模型,对其中所涉及的空化模型进行了详细的对比分析,并评估了其对预测低比转速离心泵空化性能及内部空泡形态的适用性,为此通过可视化试验图像采集,对数值计算结果与试验进行对比,以验证不同空化模型的准确性及适用性,结果表明,空化性能预测吻合良好,但定常数值计算中空泡形态基本不吻合;其次,提出对湍流模型中的粘性系数进行修正,以改善由于空化流动时汽液两相间密度差异对湍流粘性系数造成的影响,并通过修正密度函数来降低流场内的湍流粘度,研究结果表明,合理n值的粘性系数修正能提高低比转速离心泵的空化性能预测精度,避免对空化严重阶段造成过度预测;最后,考虑到湍流压力脉动对饱和蒸汽压力的影响,通过估算湍流压力脉动的局部值来对饱和蒸汽压力进行了修正,并通过修正饱和蒸汽压力函数来校正流场内的汽化压力,研究结果可知,与未修正结果相比,修正后的数值方法精度稍高,吻合范围稍好,相应的可视化试验空泡形态与数值预测结果相像,即湍流粘性及饱和蒸汽压力修正能较大程度的保证离心泵空化性能及其内部空泡形态的预测精度,本部分研究为后续研究离心泵内空化抑制手段提供了一个较为精确且适用的数值计算方法。在本文的第三部分,即文章的最后部分,主要提出了一种在低比转速离心泵叶轮后盖板出口处布置非光滑仿生粗糙带结构以抑制泵内空化的新方法;应用修正的SST k-ω湍流模型、Zwart-Gerber-Belamri空化模型研究了叶轮后盖板布置粗糙带对低转速离心泵内部空化的抑制作用,分析了布置该结构后空化发生形式、形成过程、压力分布、湍动能分布、流场结构、剪切应变率分布、流场涡旋结构以及瞬态压力脉动特性间的关系,研究结果表明,该结构对空化初生阶段并无影响,在空化发展初期到严重阶段间可以有效阻止低压区向叶轮出口处扩张,从而延缓离心泵的空化进程;其次,粗糙带结构可极大程度地降低流场内的剪切应变率并缩小高剪切应变率的分布范围,在一定程度上降低了速度梯度,提高该结构附近的近场压力,迫使空泡外侧形态发生一定程度的改变;粗糙带结构的存在可小幅度减少Q正值的分布区域,减弱涡旋结构强度,降低流动损失;此外,该结构可显著地降低周期叶轮内的平均空泡数量,并能减少该结构空泡覆盖区域及蜗壳内的压力脉动主频,但其对叶轮内空泡未覆盖区域造成小幅扰动。


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