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.     

绕水翼空化流动及振动特性的试验与数值模拟

采用试验与数值模拟相结合的方法,对不同材质水翼的空化水弹性响应及其振动特性进行了分析.试验中,采用高速摄像技术观测不同空化阶段的空穴形态,应用多普勒激光测振仪测量水翼的振动速度.采用k-ωSST湍流模型和Zwart空化模型对流场进行数值模拟,并建立两自由度结构模型,基于混合耦合算法实现流固耦合数值模拟计算.试验结果表明,水翼的振动幅度在云状空化阶段达到最大,水翼的振动主频与空泡脱落频率一致,并随空化数减小而降低.数值预测结果与试验结果吻合较好,能较准确地捕捉附着型空穴的生长、脉动以及云状空穴的断裂脱落过程,主要振动频率与相应空泡脱落频率一致.受水翼弹性变形和结构水弹性响应的影响,弹性材料水翼吸力面的空泡发展更为复杂,空泡脱落过程伴随着大尺度空泡团的二次附着与脱落,且空泡团容易发生破碎,形成水气混合状,其结构振动特性和流激振动频谱成分也更加复杂.     

非定常空化流动涡旋特性分析

基于试验和数值结果对三维非定常空化流动的涡旋特性进行分析.试验采用高速摄像系统对三维空穴发展过程进行观测.数值计算中采用混合密度分域的湍流模型和基于相间质量传输的空化模型.与试验结果对比,表明该计算方法能够准确捕捉云状空化的非定常过程：附着空穴的初生和发展,附着空穴的断裂,以及大尺度脱落空泡团的形成.基于计算结果,采用涡量分析法并引入复杂流场中的涡旋结构判据研究了空化现象的发生和发展对涡量输运过程的影响.结果表明：反向射流的形成和发展导致速度梯度的变化,从而引起涡量产生项的非定常变化;气液两相的相互转换会导致流场内体积变化率以及密度梯度的变化,同样引起体积变化率项和斜压矩项的非定常变化.采用速度梯度张量不变量Q和R分析空化现象的涡旋特性可以发现：在水翼前端附着空穴区域,旋转效应大于形变效应;脱落空泡位置附近,旋转效应和形变效应共同支配云状空泡运动.     

不同空化数下水泵水轮机相关特性数值计算与分析

为了研究不同空化数下的空化特性,以某抽水蓄能电站水泵水轮机作为研究对象,采用SST k-ω湍流模型和Zwart空化模型对不同空化数下的全流道进行了非定常数值计算,并且结合实验结果进行了对比验证。分析了不同空化数下中间流面的湍动能分布和空泡在叶片上的分布规律,探讨了空泡分布区域与转轮内叶道涡之间的相互关联。研究结果显示:水泵水轮机在泵工况下运行时,其无叶区有较明显的湍动能存在,并且湍动能分布比较明显,呈现出不规则的环状分布;叶片的空泡分布主要在叶片的吸力面,且叶片吸力面的湍动能高于压力面;转轮内部的叶道涡主要产生在靠近叶片吸力面且靠近转轮出口处,叶道涡的大小和数量与叶片上的空泡分布存在一定的相关关系,空泡的产生导致了流道的不畅,加剧了涡的产生。     

不同空化数下轴流泵叶顶间隙区空化特性

基于修正的SST k-ω湍流模型和空化模型,对叶顶间隙为0.5 mm轴流泵模型进行了数值计算,分析了不同空化数下叶顶区不同圆柱截面的空化面积、叶轮出口轴向速度以及叶顶区空泡体积分数等特性。数值计算与高速摄影试验结果表明,数值模拟方法准确预测了轴流泵NPSH曲线和叶顶区空化流场;轴流泵初生空化出现在叶顶区,其空化类型主要包括刮起涡空化、泄漏流空化、卷吸区空化及叶顶泄漏涡空化;在空化数为0.451时,叶顶泄漏涡具有明显的涡带空化特性,随着空化数的逐渐降低,叶顶泄漏涡卷吸区的空化范围逐渐扩展,并与泄漏流空化区连成一片,且空泡云扩展到整个叶片吸力面;在间隙泄漏流作用下,叶轮出口轴向速度在靠近间隙区域逐渐降低,并随着空化数减小,轴面速度进一步下降;在不同空化数下,叶片吸力面圆周截面空化面积系数从轮毂到轮缘先增大,在叶片中部达到最大值,然后迅速减小,在叶顶区由于受到间隙效应的影响,叶顶区空化面积迅速增大。     

灯泡贯流式水轮机尾水管流动特性分析

采用基于气泡动力学的两相流方程,对灯泡贯流式水轮机进行全流场的非定常湍流数值模拟,计算了在大流量工况下水轮机内部发生空化时的能量特性和尾水管内涡带的演变特点。计算结果表明:当水轮机在大流量下运行时,尾水管会出现"柱状"空腔涡带,随着时间的变化,空化涡带体积发生大幅度增加,在涡带尾部有"环形水跃"现象出现,此时在尾水管内壁处压力脉动也随之增大;在不同的空化系数下,压力脉动从转轮出口处开始增加,由于空泡的体积波动主要发生在尾水管内,因而压力脉动振幅在尾水管内达到最大,压力脉动会沿着尾水管向下游传播,逐渐减小;尾水管内压力脉动以低频为主,涡带主频为转频,其余频率由涡带公转产生的以2~5倍主频的次频。     

叶顶间隙对斜流泵叶轮内部空化流动的影响

为了研究不同叶顶间隙值对斜流泵叶轮内部空泡稳定性的影响,获得叶顶间隙的最佳范围,基于标准SST k-ω湍流模型和均相流模型对斜流泵内部空化流动进行了数值模拟.结果表明:叶顶间隙对斜流泵叶轮内部空化性能有显著影响,小流量工况下随着叶顶间隙的增大,叶顶泄漏涡的湍流尺度和强度逐渐增加,临界空化数随着叶顶间隙的增大而逐渐减小;当临界空化数为0.357时,较大的叶顶间隙可以抑制叶片表面的初生空化;当叶片发生严重空化时(σ=0.123),较小的叶顶间隙抑制叶片表面产生大尺度空泡;当叶顶间隙较小时,空泡团稳定附着在吸力面;随着叶顶间隙的增大,空泡脱落区向主流移动并聚集在叶片吸力面中部,空化体积分数逐渐增大.     

旋转式水力空化发生器的空化特性

为综合考虑水力空化发生器的空化强度和输送能力,基于一台比转数为117.3的单级单吸式离心泵,设计出一种能够兼顾空化和扬程的旋转式水力空化发生器.基于CFX软件对旋转式水力空化发生器内部空化形态变化和空泡演变规律进行研究.结果表明,随着进口压力的降低和流量的增加,旋转式空化发生器的空泡团体积增大;在转轮挡板和隔舌附近均有空泡产生,转轮内部空泡首先在挡板侧面产生,然后在其背面靠近隔舌处开始脱落,隔舌处空泡在隔舌下游初生,并与转轮空泡同时脱落,两者具有不同的溃灭周期.该旋转式水力空化发生器提高了空化发生装置的集成化程度,具有空化效果好、且能有效增加液体静压的特性,对其空化特性的研究可以为水力空化发生装置的设计提供参考.     

绕水翼空泡脱落及其空化脉动特性

为改善水力机械抗空化性能,采用数值模拟与试验相结合的方法对NACA0015水翼非定常云空泡脱落机理进行研究,分析不同空化阶段下非定常空泡结构对翼型表面产生的空化脉动规律,探讨空化非定常过程中压力脉动产生的主要原因.结果表明:基于密度分域滤波器的湍流模型(FBDCM)能较好地模拟水翼表面空泡周期性脱落的非定常过程;在攻角为8°,空化数为1.25的工况下,空泡演化的非定常过程主要分为3个阶段,分别为附着型空泡形成与生长阶段、附着型空泡脱落与云空化形成阶段和云状空泡发展与溃灭阶段;在第二阶段结束时,空泡体积分数增至该周期内最大值;在第三阶段,由于空泡在翼型表面逐渐脱落并溃灭,翼型表面的压力水平逐渐回升,且回射流是空泡脱落的主要原因.     

缩放型喷嘴空化射流空泡云演化规律的试验研究

基于高速摄影技术对缩放型喷嘴进行空化射流试验,以揭示不同进口压力下空化射流流场特性,分析进口压力对空泡云演化规律的影响.结果表明:淹没式空化射流形成的泡云呈周期性变化,即在1个周期内包含空化初生、发展、脱落、溃灭4个不同阶段,并在空泡云脱落时达到最大的空泡面积、密度和宽度.由于随着射流入口压力的增大,喷嘴形成的射流速度加快,在射流边界层内速度梯度增大、射流核心区与伴随流的剪切作用增强,高速射流所产生的空泡云长度、面积和密度均呈增大趋势.同时,随着进口压力的增大,边界层内湍动能增大,加剧了部分流体的不规则运动,导致空泡云边界更加模糊且呈交错分布,空泡云的脱落频率不断增大.研究结果对提高空化射流在金属材料强化和石油钻井、破岩等领域的应用具有重要的理论意义和指导价值.     

水翼间隙非定常涡空化流动的试验和数值研究

采用高速全流场显示技术对水翼叶顶间隙区域非定常旋涡空化流动进行观测,并提出一种旋涡空化模型来对空化流动进行计算.研究结果表明,提出的空化模型可以较好地捕捉非定常泄漏涡空化.此外,基于计算结果对水翼前缘云状附着空化与间隙涡空化的相互作用进行重点分析.结果表明,附着空化的发展和脱落会引起水翼叶顶附近迎背流面压力差值的变化,从而导致叶顶区域射流剪切层空化具有显著的非定常特性;附着空化末端闭合处的压力波动会造成泄漏空化涡强度的波动;附着空化的断裂所引起的吸力面局部高压会导致泄漏空化涡强度的显著降低.     

离心泵内双龙卷风式分离涡数值分析

为探究弯管式离心泵的内流不稳定特性,基于雷诺时均模型和旋涡判别Q准则,对离心泵设计工况下的旋涡流动进行仿真研究。基于数值计算结果,获得了叶片吸力面的拓扑结构,捕捉到驻扎于叶片上的驻脚和游离于叶轮上游的低压泡,两者共同构成了双龙卷风式分离涡。导出其基本形成机理:吸入室中的弯管流动和消旋板绕流构成了进口畸变流,包含反向涡对和低压回流。畸变流迫使进口冲角增大,吸力面发生流动分离并伴有旋涡脱落,脱落涡在回流作用下向叶轮上游运动,逐渐发展成为独立的集中分离涡,连接叶轮上游壁面与叶片吸力面。嵌入完全空化模型,证实设计工况下龙卷风式分离涡存在涡生空化特性,可能增加离心泵运行噪声。     

绕水翼非定常空化流场数值模拟

基于Reynolds平均法,采用RNG k-ε模型及Mixture两相流模型,对绕攻角10°的ys930水翼非定常空化流动进行了数值模拟,分析了空化数分别为10,08,05时的空化流场结构、流动特性及空泡演化过程等．结果表明:云状空泡由两部分组成,前一部分为空泡主体,稳定附着于水翼吸力面上,其内部充满水蒸气,压力为汽化压力;后一部分为空泡附体,为周期性气液两相运动区域．空泡前端位置基本稳定,空泡主体长度随时间变化先增大后减小;空泡主体长度由空化数和回射流强度共同决定．空泡厚度随时间变化先增大后减小,空化数越小,空泡能达到的最大厚度越大,同时最大厚度出现位置越靠近水翼尾缘．回射流的强度与空化数成反比,空化数越小,回射流强度越大,来流与回射流的相互作用决定了空泡附体脱落的位置．     

基于CFD的混流泵空化特性研究

应用剪切应力输运(SST)湍流模型和基于Rayleigh-Plesset方程的混合物均相流空化模型,求解雷诺时均Navier-Stokes方程,对某混流泵在设计工况时的流场进行数值模拟.根据计算结果获取了泵的扬程衰减曲线,捕捉到泵内空化的发生、发展过程,对轻微空化、临界空化和严重空化3种工况下叶轮内空泡体积分布特性做对比分析.模拟结果表明:该泵空化性能满足设计要求;叶轮内空泡最初发生在叶片吸力面进水边靠近轮缘处,该空泡区随汽蚀余量降低逐渐向轮毂方向和叶轮出口方向延伸;轮缘空泡初生于叶片进水边,沿着叶缘翼型逐渐发展成一条长带;轮毂空泡集中于叶根翼型尾部,轮毂空泡体积分数明显大于轮缘;叶片各通道间空泡分布相似,严重空化时空泡造成叶片通道严重阻塞致使泵扬程急剧下降.     

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.     

基于修正PANS模型的轴流泵空化特性数值模拟

为了研究轴流泵空化问题,利用CFX软件二次开发技术对湍流模型进行了修正,通过编写CCL语言实现了PANS模型中参数f_k的动态定义,使其可以瞬时地根据当地网格条件和湍流长度尺度修改其值;利用修正后的湍流模型对轴流泵全流道进行空化数值计算,得出临界汽蚀余量为5.37 m,经试验可知,实际临界汽蚀余量为5.68 m,两者误差是由试验条件及试验系统引起的,且在合理范围内,并通过拍摄空泡图验证了该湍流模型在轴流泵空化计算中的可靠性.分析数值计算结果,得出了不同工况下轴流泵的空化特性,随着汽蚀余量的减小,轴流泵叶轮内空泡体积分数变大,涡量变大,叶片表面压力和流速在空泡产生和溃灭的位置处发生相应波动;随着流量的增大,轴流泵临界汽蚀余量减小,空泡分布的整体量变大,叶轮内部湍动能值变大,湍流耗散变严重,这与空化的发生和溃灭有直接关系.     

轴流泵叶轮内空化流动的数值计算

首先通过轴流式模型泵外特性试验,确定了汽蚀性能曲线。基于完整空化模型和混合流体两相流模型,对轴流式模型泵设计工况下叶轮内空化流动进行全流道数值计算。选择空化开始发生、临界汽蚀点以及空化严重时3个工况比较分析叶轮内空化流动的发展情况。计算获得了不同汽蚀余量时叶片背面静压、空泡体积组分分布和不同轴截面上的空泡体积组分分布。计算结果表明空化最初发生在叶片背面进口靠近轮缘的局部低压区;在临界汽蚀点处,空化发生的区域位于叶片背面进口至出口弦长的2/3处,面积约占叶片背面面积的50%,随着空化程度的进一步加剧,空化区域逐渐向后发展且空泡体积组分逐渐变大,当叶轮流道内发生局部空化时,不会影响到泵的能量性能;空化严重时,靠近进口截面的过流面积受到严重堵塞,泵的能量性能严重下降。计算结果与外特性试验相吻合,较好地揭示了轴流泵叶轮内的空化流动的静态特征。     

双蜗壳离心泵空化流动对隔舌处压力脉动特性的影响

应用数值计算方法分析了双蜗壳离心泵内空化流动影响隔舌部位压力脉动特性情况,以进一步明晰空化流动诱导泵振动噪声机理.采用SST k-ω湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型,对设计工况下的泵内空化流动和无空化流动进行了非定常数值模拟,数值模拟结果表明:SST k-ω湍流模型能准确预测双蜗壳离心泵的能量特性指标;泵内空化的空泡初始产生于叶轮叶片进口吸力面根部,随着装置空化余量的降低,空泡云沿着叶轮叶片吸力面向叶片出口和前盖板方向发展,叶轮内部空泡的发展并不均匀,加剧了叶轮内部流动的不稳定性.对比叶轮旋转一周在空化和无空化流动状态下发现,2个隔舌处各个监测点的压力脉动具有明显周期性,在无空化状态下,隔板进口处监测点的压力脉动主频为2倍叶频,其他监测点压力脉动主频均为叶频;空化状态下2个隔舌处各个监测点的压力脉动主频均为叶频,压力脉动幅值明显增大.     

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.     

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.