诱导轮内部液氢空化流动特性

为了研究以液氢作为流动介质的诱导轮的空化特性,采用数值模拟方法分别计算了诱导轮内部液氢和水的空化流动.计算中采用一种基于Kubota模型自开发的且考虑热力学效应影响的空化模型,湍流模型采用SST k-ω双方程模型,计算模型和方法通过试验进行了验证.通过对比计算,获得了2种介质在不同空化条件下诱导轮内部的空化流场,分析了2种介质下诱导轮的能量性能和空化性能.结果表明:修正的Kubota空化模型能够很好地模拟考虑空化热力学效应的诱导轮内部液氢的空化特性;相比水体而言,液氢为流动介质时诱导轮扬程有所提高,临界空化数变小,空化区域减小,这是由于介质特性特别是热力学效应的影响;以液氢为介质时,诱导轮的空化性能相对于水介质将有明显的改善,初生空化数将减小.     

自激脉冲空化喷嘴三维非稳态流动的数值模拟

选择RNG k-ε、Realizable k-ε、标准k-ω和SST k-ω这4种湍流模型,对低压自激脉冲空化射流喷嘴内部流场进行数值模拟研究,验证其对脉冲空化喷嘴内部三维非定常流场模拟的适定性,研究表明RNG k-ε模型的模拟精度高且易收敛,网格无关性验证和时间步长分析说明应尽量减少时间步长.基于三维非稳态空化模型,考虑重力因素,对喷嘴腔室内部流场进行了数值分析,通过压力、速度、水蒸气体积分数和温度的分布云图,分析了1个周期内腔室内部空化初生、能量集中和释放的演变过程,解释了空化射流的产生机理,与试验结果对比,验证了腔室内部流场演变的正确性,考虑重力因素,进行喷嘴内部流场三维模拟更加符合工程实际.     

不同长径比和倾角圆管道中的空化现象

对不同长径比和倾角对圆管道内液体流动所产生的空化现象进行了研究.通过对长径比为5 ∶1和5 ∶2,倾角分别为90°,120°,135°几种情况下的圆管道在背压为0.1 MPa,入口压力分别为0.3,0.5,1.0 MPa条件下的空化现象进行了数值模拟,得到相应圆管道内的压力和空化云图,并分析了空化在圆管道内出现的位置及空化强度.计算结果表明:空化现象均出现的管道的入口处;在相同的进出口压差条件下,随着圆管道直径的增大,空化区域在减小,且空化强度也在减弱;当管道的倾角为90°时,空化现象最为剧烈,且管道入口处上下均出现空化现象;随着圆管道倾角的增大,管道内空化减弱,空化区域在减小,且空化仅仅发生在入口处下部.同时,制作了长径比为5 ∶1和5 ∶2、倾角为90°,以及长径比为5 ∶1、倾角为135°的透明管道试件,并进行了可视化的空化试验,试验结果与数值模拟的结果吻合较好.     

直流式迷宫调节阀流道降压流动特性及临界空化预测

针对高降压、高速流的直流式迷宫压力调节阀阀芯内部流道空化损伤失效现象,基于临界空化压力预测方法进行流体力学计算,结合Mixture多相流中的Schnerr-Sauer空化模型和Realizable k-ε湍流模型,数值模拟了偶数级数2N(N=1,2,3,4)流道在不同出口压力(0.1~0.8 MPa)下的临界空化进口压力,并分析了八级流道的压力、速度、相分率等参数的变化规律.研究结果表明:除进口级数外,流体经过垂直于进口流动方向的级数后才会产生旋涡,旋涡的产生会导致能量耗散和降压;在出口近壁面处,旋涡形成的低压区低于流体的饱和蒸气压,发生了局部空化;相同流道级数递增出口压力下的临界空化压差呈现线性函数增长趋势;相同出口压力递增流道级数下的临界空化压差呈现指数函数增长趋势.因此,可根据涡流能量耗散降压原理及临界空化线性、指数趋势线方程在改进优化迷宫流道结构设计促进涡流产生的同时选择合适的工况压力和流道级数来避免空化.     

混流泵启动过程空化特性的试验研究

为了研究混流泵在不同流量和不同进口压力工况下启动过程中的空化特性,采用不同的启动时间,对一台叶顶间隙为0.25 mm的混流泵模型的启动过程进行了高速摄影试验研究.主要研究了模型在4种流量(0.80Q_d,0.90Q_d,1.00Q_d和1.05Q_d)工况下,启动时间分别为10,15,20 s下的空化现象.试验结果表明:在混流泵启动过程中,初始阶段由于速度很小,压力没有达到水的气化压力,因此没有出现空化现象;当启动时间达到稳定点后,首先在叶轮叶顶处出现了空泡,随后扩散至叶轮流道,发生严重空化;在相同流量下,泵的进口压力越小(即空化数越小),空化发生的越严重;在进口压力和流量相同时,不同的启动时间下,模型泵在启动过程中,泵内的空化程度随着时间逐渐发展加剧,达到稳态时,空化最为严重.     

卧式轴流泵空化特性的数值分析

轴流泵内部的空化现象是影响叶轮能量转换,导致轴流泵扬程、效率等性能下降的重要原因.为了研究轴流泵内部的空化现象,以轴流泵TZX-700为研究对象,该型号轴流泵相较于一般的轴流泵无后置导叶.为了验证数值计算结果的准确性,对该卧式轴流泵分别进行了试验研究和数值模拟,试验曲线和数值计算曲线基本吻合.在设计工况和小流量工况下进行全流道数值模拟,对其空化特性曲线、叶片吸力面和压力面的静压分布以及空化体积分数分布进行分析.结果表明:当进口压力为101.325 kPa时,在叶片的吸力面就已经发生空化;在叶片压力面,当有效空化余量NPSH_a下降到临界空化余量NPSH_cr=7.79 m时,靠近进口边的叶顶处开始产生少量的空泡;随着NPSH_a的下降,叶片表面的空化区域进一步增加,对叶轮内的流场产生明显的影响,导致扬程急剧下降;在同一轴流泵进口压力下,小流量工况下叶片表面的空化区域相较于设计流量工况进一步扩大,由靠近轮缘的进口边向出口边和叶根处发展,空化现象更为严重.     

液力减速器模型空化特性数值模拟及试验研究

为了研究液力减速器内部流场空化特性,基于ANSYS CFX软件,采用RNG k-ε湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型,选取液力减速器模型单个流道作为研究对象,对其在泵轮外环壁不同压力时进行数值模拟,并搭建减速器试验台,进行降压性能试验.将数值模拟结果与试验结果进行对比分析,验证了数值模拟方法对液力减速器空化特性预测是可靠的.研究结果表明:数值模拟方法获得的性能曲线与试验结果变化趋势一致,且可以捕捉到空化初生状态,数值模拟与试验结果平均误差为3.24%,可较好地反映液力减速器内部空化特性;随着泵轮外环壁压力不断降低,空化最先发生在泵轮叶片吸力面靠近轮毂的位置,之后向叶片中部扩大,直至占据叶片吸力面大部分区域;空泡分布在径向存在不均匀性,泵轮外环壁压力为0.25 MPa时,空化区域面积比(Sc/S)随着径向位置(r/R)的增大呈现先增大后减小的趋势,空化现象在流道靠近轮毂位置(r/R=0.3~0.5处)较为严重.     

离心泵空化流动数值计算

为了研究离心泵内部复杂的三维空化特性,采用改进的空化模型和湍流模型中的Standard k-ε模型和修正的RNG k-ε模型,对离心泵内部有、无空化流动进行了计算和分析,得到了设计工况下初生空化、发展空化和严重空化时叶片吸力面和压力面上的压力,并与无空化做了对比,提出了空化初生判定准则,系统划定了离心泵的空化区域。结果表明,随着进口压力的降低,空泡首先出现在叶片进口的吸力面,然后沿着叶片型线运动,形成附着空泡,进而空泡尾迹脱离主流,偏向压力面,堵塞部分流道,最终占据全部流道,使液流断裂;设计工况下初生空化数(σ=0.306 7)和严重空化数(σ=0.028 1)相差一个数量级;从叶轮子午面上看,空泡首先在靠近后盖板处出现,逐步向前盖板运动,并附着在前盖板圆弧附近;离心泵空化细分为初生空化、临界空化、发展空化、完全空化、断裂空化5个空化过程。     

文丘里施肥器的空化特性试验研究

为了研究文丘里施肥器在压差较大的情况下产生的临界空化对微灌系统灌水器的工作压力影响,试验选取并研究了DN25型文丘里施肥器在吸肥过程中发生的空化现象,测试了7个不同进口压力水平下文丘里施肥器的吸肥流量随进出口压差变化的规律,同时采用动态应变仪测得了对应工况下施肥器喉部和扩散段外侧的应变数据,比较分析了应变数据的标准差与吸肥流量之间的关系,以及文丘里施肥器发生空化时内部流动特性变化规律.试验结果表明,当进口压力在0.20 MPa以下时,文丘里施肥器内部未发生空化;当进口压力在0.20 MPa以上时,吸肥流量增大至某稳定值时所对应的临界最大压差与进口压力呈线性关系,此时文丘里施肥器内部发生临界空化.当进口压力超过临界最大压差时,应变标准差随进出口压差变化的趋势曲线呈M型,且M型曲线的3个特征拐点对应的进出口压差均与其进口压力呈线性关系.     

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。     

轴流泵空化流动的非定常特性研究

为了研究轴流泵内部空化流的非定常特性,基于ANSYS CFX软件,应用SST k-ω湍流模型和RayleighPlesset的均相流空化模型,对一台轴流泵在最优工况点下的空化流场进行了定常与非定常数值模拟,获得轴流泵的外特性与空化性能,并与试验结果进行了对比。同时对泵内不同位置、不同空化余量下的压力脉动进行了时域和频域分析。结果表明:空泡首先出现在叶片背面进口边轮缘处,随着空化余量的降低,空泡逐渐向叶片中部发展,直至覆盖整个叶片背面;空化的发生会改变叶片背面的压力分布,影响泵的性能;叶轮进口和出口处监测点的压力脉动具有明显的周期性,全部有3个波峰和波谷,与叶片数紧密相关;空化发生后,不同工况下叶轮出口压力波动均明显增强,且其主频均为叶频。     

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.     

基于空化模型的文丘里施肥器内部流动分析

为了研究文丘里施肥器的水力性能和内部介质混合规律,以试验和数值模拟相结合的方法,基于混合模型和空化模型,利用Ansys Fluent商业软件对文丘里施肥器在不同工况下进行三维定常数值模拟,并设置对比试验。结果表明:考虑空化模型的数值模拟结果与试验结果基本相符,表明采用空化模型可以更好地预测文丘里施肥器的水力性能。另外,混合室和喉管是能量损失的主要发生区域,肥液和工作液体的混合主要发生在扩散段。     

基于压力脉动和时序分析的离心泵空化特征提

根据压力脉动幅值对空化变化相当敏感的特点,利用离心式水泵试验平台模拟空化现象,获取水泵出口压力信号.研究发现,在空化发生时刻,水泵出口压力的轴频幅值增大,且存在很多低频脉动成分.同时,根据试验获取的壳体振动和出口压力信号,分别建立该水泵正常运行的时间序列数学模型,利用模型残差的方差值判别离心泵的运行状态,实现对其空化特征的识别.     

喷嘴空化模型建立与有效性试验验证

提出了一种针对喷嘴孔内空化现象的数值计算模型——喷嘴空化模型,并进行了可视化试验以验证其模型有效性,其中喷嘴空化模型考虑了液相与气相之间相变、气泡动力学、湍流扰动及不凝性气体影响等诸多因素,并采用喷孔内空化数对相变速率方程进行了修正。将基于喷嘴空化模型的数值计算结果与试验结果及基于Schnerr-Sauer模型的计算结果进行对比分析,结果显示:在2种空化模均采用默认参数的前提下,喷嘴空化模型与Schnerr-Sauer模型计算所得喷孔内空化现象变化趋势均与试验结果吻合良好,即喷嘴孔内空化现象随喷射压力提高而加强,且在发展空化至超空化流态过渡过程中空化特征长度涨幅远高于其他流态过渡情况;喷嘴空化模型计算所得空化特征长度在各流态下均与试验结果吻合良好,Schnerr-Sauer模型计算空化特征长度则低于试验结果,两者与试验值的最大误差均发生在超空化阶段,其中喷嘴空化模型计算值为试验值的92%,Schnerr-Sauer模型计算值为试验值的65%。该结果表明,所建立喷嘴空化模型可用于较为准确地模拟喷嘴孔内空化现象的变化趋势及空化特征长度。     

背压对喷油嘴断油过程中气体倒流现象的影响

基于流体体积(VOF)模型和动态重叠网格技术对针阀关闭过程的喷油嘴内流场进行了瞬态模拟,分析发现在断油过程中,喷油嘴压力室和喷孔入口两个位置都会发生空化现象,与试验现象一致。计算得到的最大空化体积与倒流气体体积基本相等,说明空化溃灭是造成外部气体倒流的主要原因。压力室内的空化溃灭是引起倒流气体进一步流入压力室的必要条件。进一步从理论推导出新的变量——空化数,用以评估针阀关闭过程喷嘴内空化的程度,得出背压增大,断油过程的空化程度减弱,使倒流的气体体积减少,较好地解释了背压对气体倒流的影响规律。     

直喷汽油机多孔喷油器喷嘴内部流动数值模拟

采用双流体法应用线性空化模型对某直喷汽油机多孔喷油器喷嘴内部流动形态进行模拟,分析了喷嘴内空化流动发展规律,总结并比较了几种判断空化流动的方法.模拟结果表明:在喷孔内及针阀开启关闭时与阀座缝隙间均发现有空化现象;空化形态不稳定,随时间变化;空化造成喷嘴流量减小流速增大,各孔流量亦产生差异;临界空化数可以有效预测空化现象;GDI多孔喷嘴仅在喷射压力很小而喷射背压很大的分层燃烧方式下有可能不空化.     

空化条件下轴流泵叶轮静应力特性

空化特性和应力特性是轴流泵稳定运行的有力保障,研究空化条件下的应力特征具有重要工程意义。以轴流泵为研究对象,通过顺序流固耦合方法,将该轴流泵内部稳态空化流动的CFD分析结果作为主要力学边界条件,采用有限元方法,对未发生空化、空化初生和空化严重情况下的叶轮应力特性进行了分析。结果表明,轴流泵叶轮最大等效应力均发生在叶片靠近出口边的叶片根部位置;未发生空化和空化初生情况下,应力分布基本一致,最大等效应力值约36 MPa,当空化严重时,高应力区域较前两种情况缩小。取不同截面对叶片内部应力分布进行分析,发现空化严重时,压力面区域根部两端存在高应力区域,向叶片中部递减;而吸力面则仅在出口边一侧存在高应力区域。叶片压力面根部交线上应力分布随空化发生、发展分布趋势基本相似,但是吸力面根部交线上分布将由近似直线分布变为抛物线分布。      

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.     

诱导轮离心泵空化条件下扬程下降分析

以空化条件下离心泵的扬程下降为切入点,基于RNGk -ε湍流方程和Rayleigh-Plesset空化模型研究带诱导轮的离心泵空化流动,获得了空化条件下离心泵流道的空泡分布及扬程下降规律,分析结果表明,空泡发展至诱导轮的喉部时,扬程开始下降;随着压力的降低,空泡首先出现在叶轮进口,并逐步发展至整个流道,进而影响离心泵的内部流动及能量转换;空化同时会引起局部流道的压增现象,压增的位置随空化强度的增大向下游流道移动.验证了诱导轮可以改善泵的空化性能,它能抑制空泡在主叶轮内的扩散,使空化仅造成主叶轮叶片进口处压力的缓慢下降,而主叶轮的扬程并未明显下降.