水力裝置空化空蝕數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)研究.pdf

1、本文在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51239005，51309120)、國(guó)家留學(xué)基金委公派聯(lián)合培養(yǎng)博士生項(xiàng)目、歐洲太空總署(European Space Agency，ESA)項(xiàng)目“Cavitationin Thermosensible Fluids”和江蘇省高校博士研究生創(chuàng)新基金(CXLX12_0640)的資助下開展工作。
　　隨著科技的進(jìn)步以及工業(yè)制造精度的提高，水力機(jī)械得到了迅猛的發(fā)展，然而伴隨著其大型化高速化而產(chǎn)生的空化問題則更

2、加凸顯。空化的存在不僅會(huì)降低水泵等水力機(jī)械的運(yùn)行效率，還會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，甚至?xí)?duì)水力機(jī)械固體表面造成破壞，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。另一方面，空化由于具有復(fù)雜的物理化學(xué)相變流動(dòng)特征與特殊的非定常動(dòng)力特性，已成為污水處理、水下兵器減阻和管道清理等領(lǐng)域的一種高效低能耗新興技術(shù)手段。本文首先對(duì)文丘里管和孔板兩種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的水力裝置進(jìn)行空化空蝕研究，采用理論分析、數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量相結(jié)合的方法研究空化空蝕形成機(jī)理與相互關(guān)系。隨后以此為基礎(chǔ)，對(duì)

3、應(yīng)用更為廣泛、結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)類水力機(jī)械——離心泵進(jìn)行空化空蝕的研究，改進(jìn)離心泵空化數(shù)值計(jì)算模型，揭示離心泵內(nèi)空化的非定常特性，建立離心泵空蝕預(yù)測(cè)方法。最后對(duì)一種水力空化發(fā)生器進(jìn)行系統(tǒng)研究，為空化應(yīng)用的研究提供一定的參考。本文的主要工作和創(chuàng)新性成果有:
　　1.針對(duì)水力裝置與機(jī)械空化數(shù)值模擬過程中需人為不斷調(diào)整邊界條件的問題，基于批處理(Batch)和ANSYS-CFX建立了一種空化數(shù)值模擬自動(dòng)運(yùn)行方法，實(shí)現(xiàn)了CFD計(jì)算軟件的自

4、動(dòng)調(diào)用和邊界條件的自動(dòng)修改，使計(jì)算能夠直接執(zhí)行下一步。該方法保證了數(shù)值模擬過程的無縫銜接，縮短了計(jì)算周期。
　　2.通過對(duì)文丘里管空化空蝕的研究，建立了一套試驗(yàn)研究—數(shù)值計(jì)算—圖像后處理相結(jié)合的空化空蝕研究方法，具體研究了空泡各發(fā)展階段與空蝕的內(nèi)在聯(lián)系?；赗NG k-ε模型提出了一種考慮空化可壓縮性及湍流粘度修正的CDM湍流模型，有效地解決了常用湍流模型對(duì)湍流粘度過預(yù)測(cè)的問題;采用兩臺(tái)高速相機(jī)同時(shí)對(duì)文丘里管空泡結(jié)構(gòu)演變與空蝕過程

5、進(jìn)行記錄，實(shí)現(xiàn)了空化與空蝕的同步測(cè)量;采用蝕點(diǎn)計(jì)算法對(duì)空化空蝕數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并輔以可壓縮數(shù)值模擬方法，研究了空泡不同發(fā)展階段時(shí)的空蝕破壞力。研究結(jié)果表明:空泡團(tuán)的脫落與潰滅過程均會(huì)釋放高能量的沖擊波，并對(duì)固壁表面造成破壞，且后者為主要原因;蝕點(diǎn)的數(shù)量與面積的增長(zhǎng)規(guī)律并非線性，而是呈階梯狀遞增，空蝕大多在空泡潰滅或脫落時(shí)發(fā)生。
　　3.基于孔板射流的空化空蝕試驗(yàn)研究，建立了一種基于空泡圖像的空蝕預(yù)測(cè)方法。采用MATLAB軟件對(duì)空化試

6、驗(yàn)數(shù)據(jù)，即高速相機(jī)采集的連續(xù)空泡圖像進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)方差與平均值處理，預(yù)測(cè)出了潛在的空蝕區(qū)域以及相應(yīng)的破壞程度，并反映出空泡的分布情況?？瘴g試驗(yàn)結(jié)果證明了該方法的有效性與準(zhǔn)確性，孔板射流空化的空蝕區(qū)域位于脫落空泡的潰滅點(diǎn)位置呈環(huán)狀形態(tài)，其半徑與采用空泡圖像空蝕預(yù)測(cè)方法的半徑相同。試驗(yàn)研究還揭示了流場(chǎng)速度與空蝕的關(guān)系，在空化數(shù)相同的前提下，流場(chǎng)流速越高，空蝕的程度越嚴(yán)重。
　　4.以本文建立的CDM湍流模型為基礎(chǔ)，考慮離心泵的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)與大曲

7、率結(jié)構(gòu)特征，建立了一種適用于離心泵空化數(shù)值模擬的RCD湍流模型，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明:相比標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型與SST k-ω模型，RCD模型有效地抑制了傳統(tǒng)湍流模型對(duì)湍流粘度的過預(yù)測(cè)，并準(zhǔn)確地捕捉到更為細(xì)致的泵內(nèi)湍流渦團(tuán)與速度分布，使得數(shù)值計(jì)算能夠準(zhǔn)確地模擬出離心泵內(nèi)空化流非定常脫落與潰滅的現(xiàn)象。當(dāng)空化數(shù)不變時(shí)，在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)每一流道的空泡會(huì)依次經(jīng)歷發(fā)展、局部脫落、縮小再發(fā)展的周期性非定常過程。
　　5.研究了ZGB空化

8、模型中空泡半徑、汽化與凝結(jié)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)對(duì)離心泵空化揚(yáng)程下降曲線預(yù)測(cè)精度的影響，結(jié)果表明:空泡半徑與汽化經(jīng)驗(yàn)系數(shù)同時(shí)影響空泡的長(zhǎng)度及含氣量大小，凝結(jié)系數(shù)主要影響空泡的長(zhǎng)度;高空泡含氣量區(qū)域主要影響葉片吸力面進(jìn)口前緣低壓區(qū)的范圍，低壓區(qū)的長(zhǎng)度與高空泡含氣量的長(zhǎng)度相當(dāng)，而高空泡含氣量區(qū)域的大小對(duì)離心泵揚(yáng)程的影響較小，影響揚(yáng)程預(yù)測(cè)精度的主要因素為空泡長(zhǎng)度。
　　6.考慮離心泵的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)特性和流體湍動(dòng)能與空泡結(jié)構(gòu)演變的內(nèi)在聯(lián)系，基于ZGB空化模

9、型發(fā)展了一種適用于離心泵空化數(shù)值模擬的RZGB空化模型，建立了離心泵轉(zhuǎn)速和幾何結(jié)構(gòu)與空泡半徑的函數(shù)關(guān)系。對(duì)RZGB模型對(duì)不同比轉(zhuǎn)速離心泵的預(yù)測(cè)精度進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果表明:對(duì)于低、中比轉(zhuǎn)速泵，RZGB模型的汽化凝結(jié)項(xiàng)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)分別為5000和0.001時(shí)預(yù)測(cè)精度更高;對(duì)于高比轉(zhuǎn)速泵采用汽化凝結(jié)項(xiàng)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)為50和0.01計(jì)算更為準(zhǔn)確。與可視化空化試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明，RZGB模型能夠更準(zhǔn)確地捕捉到離心泵進(jìn)口空泡的三維特殊結(jié)構(gòu)以及空穴尾端的不穩(wěn)定現(xiàn)象

10、。
　　7.以本文建立的空泡圖像空蝕預(yù)測(cè)方法為基礎(chǔ)，建立了適用于旋轉(zhuǎn)水力機(jī)械的空蝕預(yù)測(cè)方法，并通過空蝕試驗(yàn)證明了該方法的準(zhǔn)確性與可靠性。該方法對(duì)連續(xù)的高速攝影圖像或數(shù)值計(jì)算圖像進(jìn)行一系列的圖形變換，保證各葉輪流道固定不變，再以圖像標(biāo)準(zhǔn)方差與平均值處理方法進(jìn)行分析，從而獲得了離心泵葉片表面的空蝕區(qū)域與空泡分布。結(jié)果表明空蝕位置與空泡區(qū)域基本相當(dāng)，但主體偏向空穴尾端，即離心泵中附著空泡尾端的高湍流不穩(wěn)定現(xiàn)象同樣會(huì)對(duì)固壁表面造成破壞。<

11、br>　　8.基于RCD湍流模型與RZGB空化模型，并結(jié)合試驗(yàn)對(duì)一種轉(zhuǎn)子—定子型水力空化發(fā)牛器的性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。研究結(jié)果表明，空化發(fā)生器內(nèi)主要有三種空化類型，即轉(zhuǎn)子與定子相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成的楔形槽空化、轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)形成的轉(zhuǎn)子葉片前緣空化和尾端低壓區(qū)空化。在相同轉(zhuǎn)速下空化發(fā)生器內(nèi)的壓力脈動(dòng)隨著流量的增加而增大;在相同流量下空化發(fā)生器內(nèi)的壓力脈動(dòng)隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大;增大轉(zhuǎn)子與定子的間距將小幅度地降低腔內(nèi)的壓力幅值;空化發(fā)生器內(nèi)的主要空蝕區(qū)