离心泵内空化流动不稳定性及其控制研究

摘要

水力机械在运转运行过程中都不可避免的碰到空化问题。空化过程的危害主要体现在三个方面：一是空化会导致水力机械水力性能的严重恶化；二是固体壁面脱落的空泡由于惯性发展在下游高压区的破裂，在近壁面破裂的空泡会造成材料表面的破坏即空蚀。同时，与空化破坏相伴随的，还有振动与噪声等问题；三是空化会影响流动的非定常特性或者动态响应特性。对动态响应特性的改变会使流动出现不稳定性，由空化导致的不稳定性包括旋转空化和空化喘振等。这些不稳定性会导致全局流量与压力的大幅振荡，从而引起非定常的转子动力特性进而导致水力系统的结构破坏。目前关于水力机械中非定常流动不稳定性的研究处于起步阶段，由空化导致的流动不稳定性的研究属于水力机械领域研究的热点与难点问题。要完全消除空化流动不稳定性带来的危害在工程领域几乎是不可能的。因此，对空化危害的研究方向已经调整为降低与抑制空化不稳定性带来的负面作用即空化的控制。目前针对水力机械空化抑制有调整管路布置、安装非对称干扰板、安装周向槽和补气等手段，这些方法对特定的空化不稳定性有一定的抑制作用，但空化不稳定性并未被完全抑制且其抑制机理也不完全清楚。因此，探索和发现具有实际工程应用价值的空化不稳定性控制理论与技术对提高水力机械的抗空化性能和绿色智能运行具有一定意义。 本文基于实验与数值模拟相结合的方法对离心泵内空化流动不稳定性进行了研究。提出了在叶片工作面布置障碍物的空化主动控制方法，系统研究了障碍物对离心泵内定常与非定常空化特性的影响。通过对障碍物控制方法的反问题研究，得到了对离心泵内空化不稳定性具有最佳抑制效果的障碍物无量纲几何参数，形成了具有推广和指导意义的空化控制的设计理论体系。本文的主要内容和研究创新成果有： 1. 总结了空化流动不稳定性与控制的国内外研究现状。包括：水力机械内部非定常流动理论与失速、喘振等不稳定流动现象；水力机械内部空化不稳定性流动现象，例如，回流涡空化、旋转空化、空化喘振和交替叶面空化等现象的发生条件与特性。总结了空化流动控制方法的国内外研究进展。包括：优化叶片型线和调整叶片布置形式、水翼表面加障碍物阻挡回射流抑制云空化、加大翼型表面粗糙度使转捩提前延缓空化初生、注入空气射流或水射流改善流动边界层能量特性抑制空化、设计控制螺旋桨叶片展向环量分布推迟梢涡空化的发生、涡核处注入聚合物抑制梢涡空化、机匣安装蓄能器与周向槽抑制回流空化等方法的控制原理与适用范围。 2. 基于离心泵闭式实验平台，对离心泵水力性能、空化性能、压力脉动进行了高精度测试，研究了离心泵内空化流动与压力激振的响应特性。包括：外特性曲线、空化特性曲线、非空化状态下不同流量点压力激振时域特性、空化状态下设计流量点压力激振特性。 3. 以 Clark-Y 水翼为研究对象，通过大涡模拟方法，观察分析水翼云空化脱落机制。观察导致三维云空泡脱落的回射流与侧向射流，同时研究空化导致的非定常流动特性。推导了基于一元理论不稳定性分析的连续性方程与动量方程，验证了流量脉动等于空泡体积增长速度即随时间响应的一阶导数，压力脉动等于空泡体积加速度即随时间响应的二阶导数。 4. 以一台低比转速离心泵为研究对象，结合湍流粘度修正的SST k-ω湍流模型与Kubota空化模型，进行三维非定常全流道数值模拟，并在兰州理工大学甘肃省流体机械及系统重点实验室离心泵闭式试验台上进行了水力性能测试实验，实验数据验证了数值结果准确性。对离心泵内空化流动本征不稳定性进行了研究，数值模拟结果表明：离心泵内叶片背面空泡脱落并非由回射流主导，回射流大小与流道内主流不在同一数量级。对叶片进口流动冲角的监测表明：离心泵内叶片背面进口流动是由逆压梯度主导的分离流动，反向射流不对空泡脱落贡献。同时，分析了非对称压水室的叶轮流道内非对称空化形态的成因。 5. 在该低比转速离心泵叶片工作面加障碍物实现对空化的控制，通过实验与数值模拟手段，分析了障碍物对空泡形态、流场结构、湍流特性、空泡体积增长速度和压力脉动主频幅值等瞬态特性的影响，研究结果表明：在未发生空化时，障碍物诱发的尾流涡会增加离心泵内的能量损失，造成小幅效率下降。发生空化时，障碍物可以有效优化流场结构，削弱流道内靠近叶片背面的漩涡强度，明显降低流道内空化体积增长速度即空泡体积一阶导数。当空泡发展至障碍物位置时，可以对瞬态特性产生一定的抑制效果。障碍物实现控制效果的主要机理是优化流场结构，改变叶轮流道内流动的流动转捩特性，诱发高压波使空泡破裂。对离心泵内加障碍物空化控制的反问题研究得到了具有较好抑制效果的无量纲几何参数，如截面形状为矩形，障碍物高度为叶轮出口宽度的1/2, 障碍物位置位于叶轮半径45%处的轴面流线中心处。

目录

声明

主要符号说明

第1章 绪 论

1.1 课题的研究背景与意义

1.2 水力机械内非定常流动国内外研究现状

1.3 空化流动不稳定性国内外研究现状

1.4 空化流动控制国内外研究现状

1.5 本文主要研究内容

第2章 离心泵实验设备与性能测试

2.1 概述

2.2 离心泵水力性能测试系统介绍

2.3 水力性能试验

2.4 空化性能试验

2.5 压力脉动试验

2.6 本章小结

第3章 Clark-Y三维水翼空化流动不稳定性研究

3.1 概述

3.2 大涡模拟

3.3 Kubota空化模型

3.4 云空化数值模拟

3.5水翼空化流动不稳定性

3.6本章小结

第4章 离心泵内空化流动不稳定性研究

4.1 概述

4.2 计算模型与网格生成

4.3 修正的SST k-ω湍流模型与均质空化模型

4.4 离心泵内非定常空化流数值模拟

4.5 离心泵内空泡脱落机理

4.6 本章小结

第5章 离心泵叶片加障碍物控制空化研究

5.1 概述

5.2 空化控制方案

5.3 计算模型与边界条件

5.4 离心泵叶片加障碍物空化控制机理

5.5 离心泵叶片加障碍物空化控制反问题研究

5.6 本章小结

总 结 与 展 望

总结

展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文和成果