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开槽叶片对轴流泵空化性能的影响研究

薛子阳  
【摘要】:从1893年,驱逐舰的螺旋桨被击穿而发现空化现象开始,水力机械领域的专家学者便开始了对空化长达100多年的研究,直到今天空化依然是国内外学者关注的重点问题。虽然在医疗、化工和国防等领域,人们已经开始利用空化所产生的高能量转换特性,但在水力机械中,空化会产生振动、噪声以及空蚀等负面影响,对水力机械的正常运转造成危害,但这些负面影响无法被完全消除,因此探究水力机械的空化控制技术具有一定的研究价值。由于轴流泵叶片扭曲程度大,流动复杂,空化现象较为严重,因此,轴流泵空化的控制一直是国内外学者关注的焦点。通过理论分析,详细介绍了轴流泵空化特性研究现状和空化研究方法,简要概述了国内外学者对空化控制方法的研究与发展现状,以及开槽技术在水力机械领域的研究现状。介绍了空化数值模拟领域的湍流模型及空化模型,结合前人的研究成果,本文采用的湍流模型和空化模型分别是修正的SST k-ω湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型。本课题在国内外学者研究成果的基础之上,在轴流泵叶片背面前缘处开设凹槽,以研究开槽叶片对轴流泵空化控制的效果,分析了轴流泵内部空化流场,并提出了不同开槽尺寸和不同开槽数量对轴流泵空化的影响,主要包括以下研究内容:(1)以潜水轴流泵为研究对象,通过数值计算方法分析其外特性和空化特性。通过比较试验与数值模拟的外特性结果,验证了数值计算的可靠性。通过分析不同空化程度下叶轮内部流场特性,结果表明空泡首先出现在叶片进口边靠近轮缘位置,并逐渐向出口边方向扩展,随着空化程度不断加深,叶片中后部空化逐渐加剧。(2)对比分析原模型和3种开槽模型定常和非定常计算结果,研究了开槽叶片对叶轮内的空泡体积分数分布、压力分布、湍动能和压力脉动变化情况的影响,探索叶片开槽尺寸改善叶轮流道内部的流动和提升空化性能的机理。研究得出:在叶片背面前缘处,开设矩形凹槽可以提升轴流泵的扬程和效率;开设凹槽增加了叶片进口过流面积,改善了叶片背面的压力分布,减小了叶片进口位置的湍动能分布,使流动更加稳定,空化各个阶段的空泡体积分数下降,其中对空化发展初期效果最为明显,能够有效抑制空化的发展。(3)对比原模型和4种开槽模型内部流场模拟结果,分析原模型和4种开槽叶片对开槽位置的压力分布、速度矢量分布、空泡体积分数和压力脉动变化情况的影响,探索叶片不同开槽数量改善叶轮流道内部的流动和提升空化性能的机理。(4)研究得出:在叶片背面前缘处,依次开设4个间距为3mm的1mm×1mm的矩形凹槽,可以提升轴流泵的扬程和效率,增加了叶片进口处相对高压区域,叶片背面压力梯度增大,流动低速区增多,空化各个阶段的空泡体积分数下降,其中对空化发展初期效果最为明显,因此合理分布多个凹槽可以有效抑制空化的发展。


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