主动射流抑制空化的数值分析与实验研究

摘要

不可控的空化危害广泛而严重，在水力机械领域，空化往往会带来一些严重的负面效果，例如振动、噪声、性能下降，设备腐蚀等。核主泵是核电系统的核心，需要完全避免空化现象对核主泵的危害，因此水翼绕流的主动射流抑制空化的研究不仅对泵叶片设计具有指导和参考意义，也能够加深对空化流动机理的认识，同时对实现空化的控制也具有重要意义。本文针对NACA66(MOD)水翼开展主动射流抑制空化的实验，并结合CFD数值仿真揭示了主动射流抑制空化机理，本文的主要结论如下： 采用实验研究了射流对片状空化和云状空化的空化形态影响。应用高速全流场可视化技术观测了空化流场形态。结果表明，射流能够高效削弱空化。对于片状空化，射流能够显著抑制，使时均无量纲空化面积大幅减小，但射流对片空化的振荡频率的影响不大；对于云状空化，射流能够有效削弱空化强度，使时均无量纲空化面积减小，减小空泡脱落频率，但水翼尾缘依然存在空泡脱落现象。 空化是剧烈的湍流流动现象。基于实验结果，采用FBDCM湍流模型（密度分域的滤波模型）与近年来空化领域广泛使用的湍流模型对比，证实FBDCM湍流模型结合ZGB空化模型能够准确捕捉空泡脱落细节，同时模拟空化区形态和脱落频率与实验吻合良好。此后，开展了云状空化抑制机理的研究，结果表明，射流改变了吸力面的压力和速度分布，使低压区的压力得以提升，尾缘逆压梯度减小，压力脉动减小，速度边界层变薄，抗逆压梯度增强，进一步使得涡量输运过程中涡旋拉伸项、涡旋膨胀项和斜压矩项减小，从而涡脱落现象减弱，而斜压矩项减小使得汽液交界面变小。通过空化稳定性的一维分析可知，压力脉动与进出口流量差的一阶导数成正比，与空腔体积加速度的二阶导数成正比。射流抑制空化的本质是，射流使得空化过程中低压区的压力提高，改变了空化本身的固有频率，使流场压力脉动减小，相变速率减小，因此空腔体积减小，空化得到抑制。

目录

1 绪论

1.1 课题背景

1.2 空化现象的研究现状

1.2.1 空化实验研究

1.2.2 空化数值计算研究

1.2.3 空化抑制研究

1.3 本文的主要研究内容

2 主动射流对空化形态影响的实验研究

2.1 实验及参数介绍

2.1.1 实验水洞

2.1.2 实验模型及参数定义

2.1.3 高速全流场显示系统

2.2 射流对空化流动发展特性影响

2.2.1 片空化发展特性

2.2.2 云空化发展特性

2.3 射流强度对空化形态的影响

2.4 本章小结

3 空化流动的数值计算方法

3.1 均相流模型及基本控制方程

3.1.1 均相流模型

3.1.2 基本控制方程

3.1.3 空化模型

3.2 湍流模型

3.2.1 标准k-ε模型

3.2.2 基于标准k-ε模型的滤波模型(FBM)

3.2.3 基于标准k-ε模型的密度修正模型(DCM)

3.2.4 基于标准k-ε模型的局部时均化湍流模型(PANS)

3.2.5 其他湍流模型

3.3 湍流模型的比选

3.3.1 计算网格及边界和求解方法设定

3.3.2 湍流模型的选取及结果验证

3.4 本章小结

4 射流抑制云空化流动的机理研究

4.1 数值参数的设置及说明

4.2 射流对空化形态影响分析

4.3 射流对空化流场的影响

4.4 射流抑制机理分析

4.4.1 空化系统稳定性分析

4.4.2 压力脉动与空化关系

4.5 本章小结

结论

展望

参 考 文 献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢