螺旋离心泵内部漩涡空化及回流涡空化流动研究

摘要

在水力机械内部，由于叶片工作面和背面压力差的存在，叶顶间隙处有很强的泄漏流动，这种泄漏流动会在叶片工作面和背面引起二次流，如果二次流流域产生相当数量的剪切层，这些剪切层会变得不稳定，旋转形成漩涡，当漩涡中心的绝对压力降低到液体汽化压力以下时，就会产生漩涡空化[1]。水力机械中发生的轮缘漩涡空化在空穴尾缘附近的轴向扰动流动是交变叶面空化、空化喘振和旋转失速的诱因[2]。工业泵通常需要在会出现空化的较大范围流量内运行，在这种情况下，有可能会发生回流涡空化，回流涡空化引起的空化喘振现象会导致泵系统内部产生强烈的压力脉动和流量脉动，从而导致泵系统内部产生较大的振动。螺旋离心泵内部发生空化时，叶轮区域的空化形式主要为轮缘漩涡空化与叶轮进口处回流涡空化。本文从理论分析，数值模拟以及实验研究三方面入手，对螺旋离心泵内部轮缘漩涡空化与回流涡空化进行了较为系统的研究，主要工作及取得的创新性成果如下：
　　1.根据螺旋离心泵的结构特征，提出了螺旋离心泵叶轮的变倾角叶片型线方程设计方法，基于变倾角叶片型线方程可以控制叶片的扭曲程度，该设计方法可以应用于其它泵的叶片设计。在本文中，通过改变方程内的参数可以改变轮缘与盖板之间的间隙大小，从而可以研究轮缘间隙变化对空化流动的影响。
　　2.在设计流量下，螺旋离心泵叶轮区域的空化形式主要为漩涡空化，通过改变轮缘间隙的大小，分析了轮缘附近漩涡空化发生的影响因素。并且发现螺旋离心泵内轮缘附近漩涡空化有一个非定常的演化过程，对该漩涡空化非定常演化过程进行了研究，揭示了漩涡空化非定常演化的机理。
　　3.通过实验研究，发现在小流量下，螺旋离心泵叶轮进口处会发生回流涡空化，随着流量的减小，回流涡空化云的数目会逐渐减少，随着流量的进一步减小，回流涡空化云的数目保持不变，但是体积会逐渐减小。通过数值模拟研究，揭示了回流涡空化云数目及体积演变的机理。
　　本文的研究成果、研究方法在一定程度上可以推广应用于其它类型水力机械内部的空化流动的研究。

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第一章 绪论

1.1 论文的研究背景、目的和意义

1.2 水力机械内漩涡空化及回流涡空化流动国内外研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第二章 水力机械内部空化流动理论

2.1空化的基本形式

2.2泵叶轮内的空化形式

2.3水力机械内部空化危害

2.4 泵不稳定性分类

2.5 本章小结

第三章 螺旋离心模型泵设计及性能实验研究

3.1 概述

3.2基于变倾角型线方程的螺旋离心泵叶轮设计方法

3.3 螺旋离心模型泵设计

3.4 螺旋离心泵工作特性的实验研究

3.5本章小结

第四章 泵内空化数值计算的理论基础

4.1概述

4.2两相流流动

4.3空化物理模型

4.4 本章小结

第五章 螺旋离心泵内空化流动数值模拟

5.1 螺旋离心泵水力性能数值模拟

5.2螺旋离心泵内空化流动数值计算

5.3空化流场计算结果分析

5.4 本章小结

第六章 螺旋离心泵内空化流动高速摄像实验研究

6.1高速实验装置及实验方法

6.2结果分析

6.3 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 研究成果总结

7.2 研究展望

参考文献

致谢

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