非线性空化模型在水力机械空化数值计算中的应用

摘要

本文是在国家自然科学基金重点项目“水力机械空化特性及对策”（51239005）、国家科技支撑计划项目“大功率灌排泵的研制与开发”（2015BAD20B01）和江苏省博士创新计划“余热排出泵内部空化流动特性研究”（KYLX_1040）的资助下开展工作的。
　　空化是一种涉及相变和多尺度湍流的复杂多相流，对带有扭曲叶片的旋转式水力机械，其内部空化问题一直是该领域内的研究热点和难点之一。发生在水力机械内的大尺度云空化溃灭通常会导致一些负面效果，如振动噪声、性能下降，甚至材料表面破坏。利用数值求解粘性流体力学控制方程模拟空泡流动是空化研究方法发展的主要趋势，改进和发展利用空泡流动数值模拟技术改善水力机械性能是一个极具挑战的突破点和关键点，对缩短新产品开发与实验周期及减少不必要的资源浪费具有重要意义。
　　本文在构建一种空泡半径非线性变化的空化模型基础上，对绕二维水翼、绕三维扭曲水翼及复杂结构轴流泵内的非稳定空化流动进行了数值研究。本文的主要工作和创新性成果有：
　　1．总结了空化流动国内外研究现状并介绍了空化流动基本理论，重点对空化模型、湍流模型及球形空泡动力学模型进行了详细分类和阐述。
　　2．首次基于液相、空泡相及不可凝结气体的三种组分的连续性方程及均相流假设建立了一种适用于水力机械内的非线性空化模型，并联立修正的滤波器湍流模型对该非线性模型中的四个重要的模型参数作适用性研究。研究结果表明，不可凝结气体质量分数和湍流脉动压力对空化流场的计算有着十分重要的影响。经比较，较为理想的不可凝结气体质量分数、单位体积内的空化核数量及空泡的初始半径均分别为 fg=1.5×10-6、 N0=1.0×1013 m-3和R0=1μm，湍流脉动效应通过对临界空化压力值进行修正体现。
　　3．分别采用非线性模型和Schnerr-Sauer模型对三种典型空化数条件下的绕二维Clark-Y水翼非定常空化流场进行了数值计算。基于非线性空化模型的计算结果，分别对云空化流场中的翼型前缘片状空穴断裂和尾缘处大尺度空泡团脱落原因、升力系数脉动机理及修正湍流粘度系数法对空化流场数值计算的影响进行了分析和讨论。研究结果表明，非线性模型对不同空化数条件下空化流场内一些细节的捕捉能力要优于Schnerr-Sauer模型；云空化阶段翼型前缘处片状空穴的断裂是由回射流与主流相互作用所形成的旋涡结构直接冲断所造成，尾缘处大尺度空泡团脱落是由翼型尾缘吸力面及压力面处的主流与回射流形成了一对旋向相反的旋涡共同作用造成，回射流是产生云状空化不稳定性特征的根源；云状空化阶段，瞬时升力系数出现了突然跳跃性变化且这种突然跳跃通常伴随着空穴的脱落或溃灭过程。
　　4．分别采用非线性模型和Schnerr-Sauer模型对空化数σ=1.07条件下的绕三维Delft Twist-11扭曲型水翼非定常空化流场进行了数值计算。基于非线性模型的计算结果对三维效应下空化流场内的回射流结构、马蹄状空穴的形成及空化-旋涡的交互作用机理进行了分析和讨论。研究结果表明，非线性模型预测结果基本能够捕捉到翼型前缘片状空穴的增长与断裂及尾缘处云状空穴的形成和溃灭的周期性演化过程；主空穴发生断裂主要是由存在于闭合空穴两侧的侧向射流所引起的，流动方向与主流平行的回射流的作用相对较小；马蹄状空穴是由翼型中部的主脱落空穴发展而来且其收缩和溃灭伴随着复杂的旋涡结构的形成和发展；由流体粘性造成的旋涡扩散效应所产生的涡量随体变化极小，流体微团形变率是涡量产生随体变化的最主要因素，斜压矩仅对空穴溃灭区域内涡量的形成产生一定影响。
　　5．通过加载非线性模型及Schnerr-Sauer模型对0.8QBEP、1.0 QBEP和1.2 QBEP三种工况轴流泵的空化性能进行预测并与实验结果作对比，基于非线性模型的数值计算结果对1.0QBEP工况下轴流泵叶轮内的两种主要类型空化进行了分析和讨论，并对轴流泵叶轮内的非定常空化特性进行了研究。研究结果表明，在1.0 QBEP和1.2 QBEP两个工况，非线性模型所预测到的临界装置空化余量与实验测量值之间的相对误差均在10％以内；轴流泵叶顶间隙附近的空化类型主要包括叶顶间隙内附着空化、叶顶泄漏涡涡带空化、剪切层分离涡空化及叶顶翼型尾缘脱离涡空化；当轴流泵叶片吸力面发生严重空化时，空化区域的后部靠近轮毂的位置空泡体积分数发生了急剧变化，该处最容易发生空蚀破坏。

目录

声明

主 要 符 号 说 明

第一章 绪 论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 空化流动的国内外研究现状

1.3 存在的问题及发展趋势

1.4 本文的主要研究内容

第二章 空化基本理论

2.1 概述

2.2 空泡动力学

2.3 空化的分类

2.4 空化的危害

2.5 空化的破坏作用机理

2.6 本章小结

第三章 空泡半径非线性变化的空化模型

3.1 概述

3.2 基于简化R-P方程的空泡动力学模型

3.3 相变率的理论推导

3.4 非线性模型相关参数适用性研究

3.5 本章小结

第四章 绕二维水翼非定常空化流动特性研究

4.1 概述

4.2 准静态片状空化

4.3 准静态片状空化向云状空化过渡

4.4 周期性云状空化

4.5 升力系数脉动分析

4.6 修正湍流粘度系数法对数值计算的影响

4.7 本章小结

第五章 绕三维扭曲水翼非定常空化流动特性研究

5.1 概述

5.2 几何模型及数值设置

5.3 空化模型在绕Delft twist-11扭曲水翼空化流场中的应用评估

5.4 回射流与空穴脱落

5.5 马蹄状空穴结构

5.6 非定常空化流动的涡动力学特性分析

5.7 本章小结

第六章 轴流泵叶轮内空化流动特性研究

6.1 概述

6.2 模型泵及网格划分

6.3 空化模型在轴流泵空化流动数值计算中应用评估

6.4 轴流泵叶轮内两种主要空化特征

6.5 轴流泵叶轮内非定常空化特性分析

6.6 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 研究总结

7.2 研究展望

参考文献

致谢

作者在攻读博士学位期间取得的科研成果