旋转超空泡蒸发器叶片参数优化的数值模拟研究

摘要

随着地球淡水资源的枯竭，海水淡化将是未来获取淡水资源的重要途径。传统的热方法海水淡化方式受结垢和传热系数的限制，导致系统体积庞大、建设和维修困难。而在超空泡的汽液界面上也有液相的汽化过程，其与壁面沸腾过程类似，但具有更大传热系数。将超空泡技术引入到海水淡化中，克服了传统热方法传热系数限制的问题。旋转超空泡蒸发器（RSCE）的提出，使得热方法的海水淡化系统的小型化成为可能。由于其高效的汽液相变方式，RSCE在污水处理等领域也有很好的应用前景。
　　本课题采用CFD数值模拟软件FLUENT对超空泡进行了数值模拟研究。首先，对以RSCE叶片为代表的平面对称空化器和以水下航行体为代表的轴对称空化器形成超空泡规律进行了对比，获得了两者形成超空泡的差异。
　　然后，对等腰三角形和曲线函数形状的平面对称空化器形成超空泡规律进行了二维数值模拟研究。对比了不同形状的平面对称空化器形成超空泡的差异，获得了不同形状的平面对称空化器在不同空化数下形成超空泡的尺寸与所受阻力的拟合公式。
　　其次，利用平面对称空化器二维数值模拟得到的拟合公式，设计出RSCE的三维叶片，对所设计的叶片形成超空泡的规律进行了研究。获得了所设计叶片在不同转速下形成超空泡的规律，发现叶片形成超空泡尺寸与设计值存在差异，并分析了差异产生的原因。获得了抽汽对叶片超空泡的影响规律，发现工作温度的提高对蒸汽抽取量有明显的提升。建立了叶片工作过程中受阻力矩的估算方法，估算误差小于2％。
　　最后，改进了叶片设计方法，设计出新的旋转叶片，对RSCE热力学性能进行了数值模拟研究。得到了抽汽对整个流域温度分布的影响规律，以及汽化过程中超空泡内部的温度变化，初步了解了RSCE的热力学特性。

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第1章绪论

1.1课题的来源

1.2课题研究背景及意义

1.3国内外研究现状及分析

1.4主要研究内容

第2章控制方程及数值求解方法

2.1引言

2.2基本控制方程

2.3 Realizable k-ε模型

2.4空化模型

2.5二维计算模型与网格

2.6本章小结

第3章平面对称空化器二维数值模拟

3.1引言

3.2平面对称空化器与轴对称空化器对比

3.3 Planar空间与Axisymmetric空间模拟结果对比

3.4计算结果与分析

3.5本章小结

第4章三维叶片设计及数值模拟研究

4.1引言

4.2模型建立

4.3数值模拟准确性验证

4.4模型网格及边界条件

4.5计算结果与分析

4.6三维叶片模型抽汽工况的数值模拟

4.7改进型三维叶片模型数值模拟

4.8本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

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