热力学效应对水翼云空化非定常特性的影响

为了探究热力学效应对绕翼型云状空化非定常特性的影响,应用数值模拟的方法,分别从翼型周围温度场、空泡半径、当地空化数的角度分析了不同水温下热力学效应对空化发展的影响.依据模型试验使用的物理模型建模,采用考虑热力学效应的空化模型和基于密度修正的湍流模型(DCM)对攻角α₀=8°的水翼进行非定常云状空泡的数值求解,计算得到的空泡形态与试验结果吻合度较高.空化发生时,蒸发吸热使空泡内部温度降低,水体饱和蒸汽压力下降,空化的发展被抑制,最终附着空泡区域变小、变薄.同时,随着水温的升高,空泡半径减小,空泡扩散加剧,空化区域更加模糊.由于流场温度变化会导致流体物理性质的改变,因此采用考虑温度变化的当地空化数σ(T)可以更直观地反映流场温度变化对空化发展阶段的影响.     

考虑热力学效应的空化模型修正及其适用性研究

为了研究热力学效应对不同温度水和低温流体空化影响,针对Zwart、Merkle和Singhal 3种典型空化模型,基于Antoine方程,考虑汽化潜热引起的饱和蒸汽压变化以及湍动能对当地汽化压强的影响,通过CFX前处理编辑分别对3种空化模型进行了修正,提出了全新的考虑热力学效应的空化模型。针对不同温度水为介质的NACA0015翼型,分别采用3种不同空化模型及修正后的空化模型进行了数值模拟。结果表明,修正后的Merkle模型更加接近实验值。基于修正后的Merkle模型,模拟了不同温度液氮为介质的HORD翼型,并与实验结果进行了对比。研究发现,考虑热力学效应时,空化区域产生温度下降、对应饱和压力下降,致使空化强度减弱,空穴长度缩短,当地空化数均大于远场空化数。相比温度为77. 64 K的工况,83. 06 K工况下的热力学敏感性更高,压降更多,空化受抑制更加明显。     

叶顶间隙对诱导轮内部流动特性的影响

为研究不同叶顶间隙值对诱导轮内部流动特性及非定常特性的影响,采用ANSYS CFX软件,基于SST k-ω湍流模型对某高速离心泵在3种不同诱导轮叶顶间隙率(0.01、0.02、0.03)下进行内部流场数值模拟。分析诱导轮内部流动特性、0.6Qd流量工况下轴向截面压力脉动以及诱导轮所受径向力。结果表明:适当增大叶顶间隙对泵的扬程和效率影响较小,但可以减弱壁面射流,改善诱导轮叶片进口压力分布,提高其空化性能。叶顶间隙对诱导轮进口处压力脉动影响较大,对诱导轮中后段处压力脉动影响较小。对本文模型而言,0.6Qd流量工况下叶顶间隙率增加至0.03时,径向力分布情况最好,说明适当增加叶顶间隙有助于减小和平衡小流量工况下诱导轮所受径向力。     

高温条件下热力学效应对空化的影响

为了研究水泵空化性能在高温与常温下的差异性,揭示热力学效应对空化发展的影响,应用计算流体动力学软件Fluent,基于质量输运方程和Singhal的全空化模型,并通过导入UDF程序,在能量方程中添加了考虑热力学效应的计算源项,并加入空化区饱和压力随温度的变化函数,以NACA0066(MOD)翼型为研究对象,针对不同的介质温度,开展了翼型表面空化场的流动分析.数值计算结果表明:空化发生需要从周围环境吸收汽化潜热,造成空化区翼型表面温度的变化,在介质温度分别为293,373,473 K时,翼型表面空化区相对于周围环境温降分别为0.13,0.84,13.00 K;流体温度越高,空化区的温降越大;空化区由于温度降低引起当地饱和蒸汽压力降低,使空化区长度明显变短,进一步抑制了空化的发展.     

诱导轮空化流动特性实验研究

为了深入研究诱导轮内部的空化流动特性,基于诱导轮空化流动可视化实验台进行了一系列实验,获取了诱导轮的外特性、空化区发展过程以及相应的压力脉动特性。结果表明：流量越大,空化性能曲线越早发生断裂,但存在某个流量使诱导轮具备最佳空化性能;随着空化数的降低,空化首先发生于泄漏涡中,泄漏涡空化逐渐与泄漏流中的剪切层空化连成一片,形成稳定的泄漏空化区,流量越小,空化区面积越大,叶尖的压力脉动幅值也随着空化区面积增大而升高,由于空化区对称分布,压力脉动由叶片通过频率主导;进一步降低空化数时,开始出现各类空化不稳定现象,小流量下出现明显的回流涡空化,大流量下出现同步旋转空化,后者会引起大幅的压力振荡,同时会导致扬程部分下降。空化区进一步发展,导致大流量下发生低频轴向流动不稳定现象,空化喘振。空化区发展至叶轮出口时,影响出口液流角,诱导轮完全失去作功能力,发生空化性能断裂。     

诱导轮偏转角对离心泵叶轮空化性能的影响

为了阐明诱导轮偏转角对离心泵叶轮空化性能的影响,改善离心泵的空化性能,找到最佳周向位置,基于均相流假设,采用IDM空化模型与RNG k-ε湍流模型,先选取诱导轮偏转角分别为0°,10°,20°,30°,40°,50°共6种方案,对离心泵外特性及诱导轮和叶轮空化性能进行数值模拟和试验对比,得到不同方案下离心泵的性能数据.计算得到的NPSHR曲线与试验数据吻合较好,验证了计算方法的准确性;基于数值模拟结果,分析了不同偏转角下诱导轮与叶轮内气泡分布规律,发现不同偏转角下诱导轮和叶轮内空化发展过程及气泡发展规律基本相同,但偏转角为10°时气泡发展速度较慢、各空化阶段分布面积较小,进一步选择5°和15°偏转角进行计算分析,得到更精确的结论,即诱导轮偏转角为5°时离心泵的综合水力性能最优.     

诱导轮进口轮毂比对离心泵空化性能的影响

以某型LNG电动超低温潜液泵作为模型泵,基于数值计算和试验,研究了诱导轮进口轮毂比对空化性能的影响规律.采用RNG k-ε湍流模型和Rayleigh-Plesset空化模型对模型泵进行全三维数值计算,试验验证了数值计算的准确性,并选取诱导轮进口轮毂比分别为0.260,0.274,0.289,0.303和0.318的5组离心泵设计方案,对比分析了诱导轮和叶轮内空化发展过程、静压分布规律及离心泵的空化特性曲线.结果表明:采用不同诱导轮进口轮毂比的离心泵,其诱导轮和叶轮流道内的空化发展过程基本一致,空化首先发生在诱导轮进口轮缘处的低压区;增大诱导轮进口轮毂比会提高诱导轮轮缘处液流的进口轴面速度,致使叶片进口冲角降低,在叶片吸力面产生脱流,并且低压分布区域的面积逐渐扩大,离心泵的空化性能下降.因此,在诱导轮的设计过程中,为了获得更高的离心泵空化性能,可在适当范围内降低诱导轮进口轮毂比.     

口环间隙对诱导轮离心泵空化流动和性能的影响

为了研究口环间隙对前置诱导轮离心泵空化性能的影响,基于RNG k-ε湍流模型和Rayleigh-Plesset方程均相流空化模型,以前置诱导轮离心泵为研究对象,选取口环间隙为0.15,0.25,0.40和0.60 mm这4种方案对其进行空化流动数值计算,并与试验结果对比分析.研究结果表明,口环间隙大小对诱导轮离心泵的外特性和空化性能影响较大,随着口环间隙的增大,总扬程效率和叶轮扬程效率均减小,与口环间隙为0.15 mm时相比,总扬程效率和叶轮扬程效率分别降低了0.60%和4.21%,效率分别下降了6.50%和9.32%;而口环间隙的增大使得诱导轮扬程和效率均增加,分别增大了29.86%和28.40%.另外,随着口环间隙的增大,空化性能曲线出现波动现象,间隙越大,波动越明显;离心泵主叶轮工作面靠近前盖板出现云状空泡分布,空化不稳定,间隙越大,空化越不稳定,临界空化数越大.经分析,引起空化不稳定性的因素可能有: 口环间隙出口处泄漏高压流体对主流的冲击;口环附近空化的发生以及诱导轮空化引起叶片出口液流角的变化.     

变螺距诱导轮对高速离心泵空化性能的影响

为了研究诱导轮的几何形状以及诱导轮与叶轮之间的相互配合对于高速离心泵的空化性能的影响,基于RNG k-ε模型和Schnerr-Sauer空化模型,对于高速离心泵在前置不同几何结构的变螺距诱导轮和多种诱导轮与叶轮的配合条件下进行了数值模拟.结果表明,与叶片直径线性变化的变螺距诱导轮相比,叶片直径为常数的变螺距诱导轮可以更好地改善高速离心泵的空化性能;诱导轮与叶轮直径轴向距离太小或者过大,将导致叶轮的压力系数与空化数减小,叶轮流道气相体积占比增加,高速离心泵的效率及扬程下降;另外,高速离心泵的空化性能随周向夹角改变而产生很大波动,但是变化规律不明显.     

水泵水轮机临界空化系数的数值预测

为了研究水泵水轮机空化系数对内部非定常流动的影响,采用SST k-ω模型对一模型水泵水轮机进行数值模拟,对机组在不同空化系数下的性能及内流场进行分析.结果表明,空化系数的大小可以改变水泵水轮机内部的流动状况,临界空化系数反映了水泵水轮机机组的能量特性.空化初生时,水泵水轮机的水头降低并且效率提高;随着空化的发展,机组水头显著增大,效率却快速减小;水泵水轮机的空化主要发生在叶片出口边吸力面靠近下环处;空化系数的改变对转轮内部流动稳定性的影响不明显.水泵水轮机的水头在空化系数较大时基本保持不变;当空化系数为0.075~0.150时,水头随空化系数的减小而略有减小;当空化系数小于0.075时,水头随空化系数的减小而增大.     

考虑水质状况的空化流计算理论

传统的空化流计算理论均以气穴内与表面上压力为常数,并等于海拔高度为零时的20℃清水汽化压力作为空化流的计算边界条件,把空化和汽化概念混为一谈,而且没有考虑水质状况对空化压力特性的重要影响.本文通过水质状况对空化压力特性影响的分析,提出了考虑水质状况的空化流计算理论与方法.该理论对势流理论和多相流理论的空化计算均适用.最后通过水轮机流场的计算实例验证了水质条件对空化流场流动特性的显著影响.     

超小型叶栅空化流场试验研究

采用弦长为14 mm的超小型Clark-Y叶栅,进行了多种空化数下的空化试验以探讨超小尺度下的空化机理和空化尺度效应。通过试验结果的分析,发现随着空化数降低,超小型叶栅的空化发展可分为空化初生、片状空化、云状空化、超空化几个阶段。通过与超小型翼型空化流场比较,发现由于受翼型间相互作用的影响,栅中翼型的空穴形态在各个空化阶段均表现为薄且狭长,空化发展相对滞后。     

非定常空化流动研究现状与进展

针对非定常空化流动数值计算模型,总结了不同汽液相间传输模型对模拟空穴发展和空泡脱落过程的影响,发现不同空化模型对于非定常空化流场的不同区域的预测有着明显的差异.建立了一种基于混合密度分域的空化流动计算模型,合理预测了空泡脱落时刻翼型尾部的不稳定脉动区.通过考虑空化流动的湍流多尺度与多相局部可压缩特性,提出了一种基于混合密度分域的混合湍流模型,预测结果与试验结果吻合更好.综合回顾试验与数值计算方面的研究工作,围绕空化流动特性与动力学问题,主要从非定常流场空穴形态、流动结构、空化流体动力等几个方面对非定常空化流动机理及相应研究成果进行了较为详细地评述和讨论.最后,基于非定常空化研究的发展趋势和进一步研究可能面临的突出问题,对非定常空化流动研究的发展方向进行了探讨与展望.     

液体火箭发动机诱导轮非定常空化流动特性数值计算

为了研究液体火箭发动机诱导轮非定常空化流动特性以及流场压力脉动特性,采用基于旋转曲率修正的湍流模型对诱导轮空化特性进行了数值计算,并与试验数据进行对比.结果表明:数值计算与试验测量的诱导轮扬程系数最大误差为3.6%,二者吻合较好.针对典型工况下的诱导轮非定常空化流动数值计算结果表明:空泡主要分布在叶片前缘和叶片进口轮缘处,每个叶片上的空泡形态大小不一,并且随着时间的推移各叶片空泡形态不断变化;在整个旋转周期中,回流涡空化旋转方向与诱导轮旋转方向一致,但旋转速度远小于诱导轮转速;诱导轮进口压力脉动主要受叶片旋转影响,在叶轮转频的倍频处,功率谱密度分布均有明显的峰值;诱导轮出口截面压力较高,压力波动相对较小.     

回射流强度对水翼表面空化形态的影响

为了研究空化发生时翼型上表面的回射流对空化体形态特征和周期性演化规律的影响,建立了不同迎流角下的绕二维水翼流场模型,采用CFD数值模拟方法分析了发生空化时的流场压力、速度和相态分布特点;采用RNG k-ε湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型对二维水翼空化流动进行了非定常数值计算.分析了空化数为0.91,迎流角分别为4°,10°,12°时,当空化发生时回射流运动特征以及回射流对于空化产生和发展的影响规律,并基于回射流的速度和特征长度等因素,提出采用量纲一的特征数用于描述回射流的强度,分析发现回射流强度是空化体形态改变的重要因素,并提出了空化形态改变的判断依据.结果发现,当特征数处于不同数量级时,对应空泡体的不同周期性阶段;同时,特征数的大小对应不同空泡体类型.     

基于Rayleigh-Plesset方程的空化模型改进与应用

为了提高Schnerr-Sauer模型预测空化流场的能力,提出了一种修正的球形空泡动力学模型,结合均相流假设建立了一种基于Rayleigh-Plesset方程的改进空化模型。联立修正后的滤波器湍流模型,分别采用改进后空化模型和Schnerr-Sauer模型对绕二维Clark-Y型水翼非定常空化流动进行计算,得到了不同空化数条件下翼型吸力面上空穴形态随时间变化规律及水动力系数特征。与已有文献的实验结果进行对比分析,结果表明:在准静态片状空化阶段,改进的空化模型计算得到的片状空穴长度基本上维持不变,在空穴尾部捕捉到明显的相间界面,与实验描述较为一致;在云状空化阶段,改进的空化模型模拟的空化区域范围更广,预测的瞬时升力系数与实验值的变化趋势吻合程度更高,且其对云空化周期性演变过程中一些流动细节的预测能力更好。     

混流式模型水轮机空化流动分析与试验研究

采用基于气泡动力学的两相流方法,对白鹤滩水电站百万千瓦级混流式模型水轮机进行定常、非定常空化流动分析,并与模型水轮机的空化试验结果进行比较.定常空化流动计算中采取降低尾水管出口绝对压力、减小装置空化系数的方式模拟模型水轮机空化试验过程,流道内压力、速度矢量、气体体积分布分析能够较好地预测水轮机流道内空化的发展特性、叶片空穴区域和尾水涡带空腔的发展过程.非定常空化流动分析能够准确地预测叶片空化和涡带空腔随时间的变化规律以及尾水压力脉动频率,其计算出的振动频率和振幅与试验结果比较相一致,结果显示尾水管空腔涡带随空化发展对压力脉动和机组不稳定运行的影响显著增大,压力脉动也对空化较为敏感,空化越为严重,压力脉动越严重,空化的产生加剧了水轮机内部流场的水力不稳定性.