轴流泵叶轮内空化流动实验研究与数值计算

摘要

本文的研究工作是在国家自然科学基金项目“轴流式叶轮内非稳态空化流的研究”(No.50776040)资助下完成。
　　 轴流泵广泛应用于农业排灌、城市供水、船舶行业及南水北调工程等国民经济重要领域。轴流泵作为大流量输送流体的旋转机械，不可避免地面临空化和汽蚀的问题。空化和汽蚀的发生会引起设备运行特性的改变、振动和噪声等一系列问题，严重时甚至会使机组无法正常运行。因此，如何提高轴流泵空化汽蚀性能是水力机械研究领域的一个重要方向。
　　 本文从文丘里管空化流动研究入手，对不同工况下的空化流动进行拍摄实验研究与空化数值计算，进而对模型轴流泵的性能进行实验研究与空化数值计算。本文的研究工作及获得结论主要有：
　　 1.设计了文丘里管空化流动实验台，运用高速数码摄像机对各工况下文丘里管空化流动进行拍摄记录实验，分析空泡区域的形态特征。结合拍摄的空化区域的形态及试验数据，对几种常见湍流模型在文丘里管空化流动计算的效果做了详细比较。结果表明RNG k-ε湍流模型有明显的优势。该研究为今后空化数值计算在湍流模型的选择方面提供了参考。
　　 2.通过模型轴流泵外特性试验，得到了模型泵的能量性能与汽蚀性能曲线。为验证空化数值计算结果的准确性，先进行了非空化流动的数值计算，通过数值计算和试验对比分析，结果表明预测曲线与试验曲线趋势基本一致，预测值与试验值在设计工况附近比较吻合，这为后续的工作打下了基础。
　　 3.基于完整空化模型和混合流体两相流模型，对模型轴流泵叶轮内空化流动进行数值计算。选择不同流量(0.8Q、1.0Q、1.2Q)下空化开始发生、临界汽蚀点和空化严重时的工况比较分析叶轮内空化流动的发展情况。并对不同工况下空化发生的位置、程度等参数比较分析，主要结论有：(1)在设计流量和小流量工况下，空化最初发生在叶片背面靠近轮毂处的局部低压区；大流量工况下，空化最初发生在叶片背面进口至出口弦长的1/3处靠近轮毂的局部低压区。(2)在临界汽蚀点时，空化区域位于进口至靠近出口的位置，约占叶片背面面积的50％以上，空泡在空化区域的后部聚集；随着空化的加剧，空化区域继续向出口发展。

目录

文摘

英文文摘

符号表

第一章 绪论

1.1 研究背景、目的及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 空化的理论研究现状

1.2.2 空化的数值模拟研究现状

1.2.3 水力机械空化空蚀的试验研究现状

1.3 本文研究的主要内容

第二章 空化的基本理论

2.1 空化核理论

2.1.1 液体中的气核初生

2.1.2 气核的生长

2.2 空化的发生与发展及溃灭

2.2.1 空化初生

2.1.2 空化的发展

2.1.3 空化泡的溃灭

2.3 空化的类型及对性能的影响

2.4.1 空化的类型

2.4.2 空化对水力机械性能的影响

第三章 数值计算理论

3.1 数值计算的基本概念

3.2 空化的数值计算

3.3.1 空化模型试验和空化数值计算的特点比较

3.3.2 空化模型

第四章 文丘里管空化流动试验研究与数值计算

4.1 文丘里管空化流动的试验研究

4.1.1 实验方案设计

4.1.2 实验装置系统

4.1.5 实验结果与分析

4.2 湍流模型对文丘里管空化流动计算的影响

4.2.1 湍流数值方法

4.2.2 湍流模型的简介

4.2.3 模型及网格

4.2.4 空化控制方程

4.2.5 计算方法、边界条件设定

4.2.6 计算结果分析

4.3 文丘里管空化流动计算结果分析

第五章 轴流泵能量性能实验研究与数值计算

5.1 模型轴流泵的基本参数

5.2 轴流泵的能量性能试验

5.2.1 实验装置系统

5.2.2 轴流泵的能量性能实验

5.3 轴流泵能量特性的数值计算

5.3.1 模型轴流泵三维造型

5.3.2 网格生成

5.3.3 边界条件与计算方法

5.3.4 计算结果与试验结果对比分析

第六章 轴流泵汽蚀性能实验研究与空化流动数值计算

6.1 轴流泵的汽蚀性能试验

6.2 轴流泵的空化流动数值计算

6.2.1 空化控制方程

6.2.2 计算方法与边界条件

6.3 计算结果分析

6.3.1 设计流量下计算结果分析

6.3.2 大流量下计算结果分析

6.3.3 小流量下计算结果分析

第七章 总结与展望

7.1 研究工作总结

7.2 工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文

攻读硕士学位期间参加的主要科研项目