水力裝置空化空蝕數(shù)值計算與試驗研究.pdf

1、本文在國家自然科學基金項目(51239005，51309120)、國家留學基金委公派聯(lián)合培養(yǎng)博士生項目、歐洲太空總署(European Space Agency，ESA)項目“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。
　　隨著科技的進步以及工業(yè)制造精度的提高，水力機械得到了迅猛的發(fā)展，然而伴隨著其大型化高速化而產生的空化問題則更

2、加凸顯?？栈拇嬖诓粌H會降低水泵等水力機械的運行效率，還會產生振動和噪聲，甚至會對水力機械固體表面造成破壞，嚴重影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。另一方面，空化由于具有復雜的物理化學相變流動特征與特殊的非定常動力特性，已成為污水處理、水下兵器減阻和管道清理等領域的一種高效低能耗新興技術手段。本文首先對文丘里管和孔板兩種結構簡單的水力裝置進行空化空蝕研究，采用理論分析、數(shù)值計算和實驗測量相結合的方法研究空化空蝕形成機理與相互關系。隨后以此為基礎，對

3、應用更為廣泛、結構更為復雜的旋轉類水力機械——離心泵進行空化空蝕的研究，改進離心泵空化數(shù)值計算模型，揭示離心泵內空化的非定常特性，建立離心泵空蝕預測方法。最后對一種水力空化發(fā)生器進行系統(tǒng)研究，為空化應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.針對水力裝置與機械空化數(shù)值模擬過程中需人為不斷調整邊界條件的問題，基于批處理(Batch)和ANSYS-CFX建立了一種空化數(shù)值模擬自動運行方法，實現(xiàn)了CFD計算軟件的自

4、動調用和邊界條件的自動修改，使計算能夠直接執(zhí)行下一步。該方法保證了數(shù)值模擬過程的無縫銜接，縮短了計算周期。
　　2.通過對文丘里管空化空蝕的研究，建立了一套試驗研究—數(shù)值計算—圖像后處理相結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湍流粘度過預測的問題;采用兩臺高速相機同時對文丘里管空泡結構演變與空蝕過程

5、進行記錄，實現(xiàn)了空化與空蝕的同步測量;采用蝕點計算法對空化空蝕數(shù)據(jù)進行分析，并輔以可壓縮數(shù)值模擬方法，研究了空泡不同發(fā)展階段時的空蝕破壞力。研究結果表明:空泡團的脫落與潰滅過程均會釋放高能量的沖擊波，并對固壁表面造成破壞，且后者為主要原因;蝕點的數(shù)量與面積的增長規(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發(fā)生。
　　3.基于孔板射流的空化空蝕試驗研究，建立了一種基于空泡圖像的空蝕預測方法。采用MATLAB軟件對空化試

6、驗數(shù)據(jù)，即高速相機采集的連續(xù)空泡圖像進行標準方差與平均值處理，預測出了潛在的空蝕區(qū)域以及相應的破壞程度，并反映出空泡的分布情況?？瘴g試驗結果證明了該方法的有效性與準確性，孔板射流空化的空蝕區(qū)域位于脫落空泡的潰滅點位置呈環(huán)狀形態(tài)，其半徑與采用空泡圖像空蝕預測方法的半徑相同。試驗研究還揭示了流場速度與空蝕的關系，在空化數(shù)相同的前提下，流場流速越高，空蝕的程度越嚴重。
　　4.以本文建立的CDM湍流模型為基礎，考慮離心泵的旋轉效應與大曲

7、率結構特征，建立了一種適用于離心泵空化數(shù)值模擬的RCD湍流模型，并與試驗結果進行了對比，結果表明:相比標準k-ε模型與SST k-ω模型，RCD模型有效地抑制了傳統(tǒng)湍流模型對湍流粘度的過預測，并準確地捕捉到更為細致的泵內湍流渦團與速度分布，使得數(shù)值計算能夠準確地模擬出離心泵內空化流非定常脫落與潰滅的現(xiàn)象。當空化數(shù)不變時，在一個旋轉周期內每一流道的空泡會依次經歷發(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、汽化與凝結經驗系數(shù)對離心泵空化揚程下降曲線預測精度的影響，結果表明:空泡半徑與汽化經驗系數(shù)同時影響空泡的長度及含氣量大小，凝結系數(shù)主要影響空泡的長度;高空泡含氣量區(qū)域主要影響葉片吸力面進口前緣低壓區(qū)的范圍，低壓區(qū)的長度與高空泡含氣量的長度相當，而高空泡含氣量區(qū)域的大小對離心泵揚程的影響較小，影響揚程預測精度的主要因素為空泡長度。
　　6.考慮離心泵的旋轉運動特性和流體湍動能與空泡結構演變的內在聯(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，建立了離心泵轉速和幾何結構與空泡半徑的函數(shù)關系。對RZGB模型對不同比轉速離心泵的預測精度進行了評估，結果表明:對于低、中比轉速泵，RZGB模型的汽化凝結項經驗系數(shù)分別為5000和0.001時預測精度更高;對于高比轉速泵采用汽化凝結項經驗系數(shù)為50和0.01計算更為準確。與可視化空化試驗結果對比表明，RZGB模型能夠更準確地捕捉到離心泵進口空泡的三維特殊結構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測方法為基礎，建立了適用于旋轉水力機械的空蝕預測方法，并通過空蝕試驗證明了該方法的準確性與可靠性。該方法對連續(xù)的高速攝影圖像或數(shù)值計算圖像進行一系列的圖形變換，保證各葉輪流道固定不變，再以圖像標準方差與平均值處理方法進行分析，從而獲得了離心泵葉片表面的空蝕區(qū)域與空泡分布。結果表明空蝕位置與空泡區(qū)域基本相當，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)象同樣會對固壁表面造成破壞。<

11、br>　　8.基于RCD湍流模型與RZGB空化模型，并結合試驗對一種轉子—定子型水力空化發(fā)牛器的性能進行了系統(tǒng)的研究。研究結果表明，空化發(fā)生器內主要有三種空化類型，即轉子與定子相對運動形成的楔形槽空化、轉子高速旋轉形成的轉子葉片前緣空化和尾端低壓區(qū)空化。在相同轉速下空化發(fā)生器內的壓力脈動隨著流量的增加而增大;在相同流量下空化發(fā)生器內的壓力脈動隨著轉速的增加而增大;增大轉子與定子的間距將小幅度地降低腔內的壓力幅值;空化發(fā)生器內的主要空蝕區(qū)