本文關(guān)鍵詞：混流泵及水翼加速流工況瞬態(tài)空化特性的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究　出處：《江蘇大學(xué)》2016年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：混流泵具有流量大、揚(yáng)程高、高效區(qū)范圍寬等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉、市政給排水、電廠循環(huán)水等國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域。混流泵瞬態(tài)空化是潛艇武器發(fā)射裝置急需解決的難題之一,研究加速流工況瞬態(tài)流場(chǎng)特性和空化形態(tài)是解決該問(wèn)題的基礎(chǔ)。在密閉的液壓系統(tǒng)中,混流泵快速啟動(dòng)產(chǎn)生高強(qiáng)度水壓,推動(dòng)魚(yú)雷加速出倉(cāng),發(fā)射武器。在這一過(guò)程中涉及到啟動(dòng)過(guò)程,啟動(dòng)過(guò)程與穩(wěn)態(tài)過(guò)程相比具有很大的差異,因?yàn)閱?dòng)過(guò)程涉及到很多參數(shù),同時(shí)這些參數(shù)是隨著時(shí)間發(fā)生變化,具有很強(qiáng)的不確定性。當(dāng)液壓艙中壓力不足時(shí),啟動(dòng)過(guò)程中就可能會(huì)出現(xiàn)空化,影響發(fā)射過(guò)程,同時(shí)水泵內(nèi)部由于空化產(chǎn)生的振動(dòng)與噪聲更容易被雷達(dá)測(cè)探出,安全性降低。因此研究啟動(dòng)過(guò)程中的瞬態(tài)空化特性具有很好的意義,可以為我國(guó)國(guó)防裝備領(lǐng)域混流泵“高速化、大型化”發(fā)展提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)保障。本文在國(guó)家自然科學(xué)基金“混流泵加速流工況瞬態(tài)空化形態(tài)及其誘導(dǎo)水力振蕩特性研究(51579118)”的資助下,主要對(duì)水翼和高比轉(zhuǎn)速混流泵進(jìn)行研究。首先對(duì)水翼加速流工況進(jìn)行了數(shù)值模擬,采用NACA0015模型對(duì)加速流工況下的DES湍流模型進(jìn)行驗(yàn)證,然后選用NACA66(mod)模型進(jìn)行了非定�？栈匦缘哪M驗(yàn)證。最后采用NACA66(mod)的二維模型對(duì)其進(jìn)行了3種不同加速流工況下空化特性的數(shù)值模擬。具體分析了3種不同加速度下(a1=5m/s2、a2=2.5m/s2、a3=1m/s2)空化的發(fā)展過(guò)程及規(guī)律、速度場(chǎng)的變化規(guī)律、翼型升阻力特性和內(nèi)部空泡體積分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律。然后對(duì)混流泵外特性、空化性能和啟動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了多次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)研究,分析了啟動(dòng)過(guò)程的瞬態(tài)規(guī)律和空化機(jī)理。主要研究工作及取得的成果如下:(1)分離渦湍流模型(DES)和基于Rayleigh-Plesset方程的Zwart空化模型可以較好地預(yù)測(cè)繞水翼加速流下空化情況。在加速啟動(dòng)過(guò)程中,空泡首先在翼型的前緣產(chǎn)生,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后發(fā)展壯大,然后在翼型尾翼處分離,前緣處空泡減少,尾翼處空泡增加并向后衍生,直至破裂。不同加速情況下,空化都首先產(chǎn)生于總加速時(shí)間的0.6倍左右,在總加速時(shí)間的1.12倍左右結(jié)束第一個(gè)周期。翼型前緣小型旋渦是由主流和回射流共同作用而產(chǎn)生的,尾翼順時(shí)針?lè)较虼笮托郎u是由強(qiáng)烈的回射流作用而產(chǎn)生的。同時(shí)隨著時(shí)間的推移,翼型前緣處旋渦消失,尾翼處旋渦增強(qiáng)。不同加速度下翼型升、阻力系數(shù)的變化趨勢(shì)是一致的,開(kāi)始先從一個(gè)較大的值快速下降到較小值,然后平穩(wěn)過(guò)渡到穩(wěn)定點(diǎn),并且在該點(diǎn)左右達(dá)到了極大值,隨后成周期性振蕩走勢(shì)來(lái)回波動(dòng)。加速度越大,升力和阻力的振蕩范圍越小,同時(shí)振蕩也越平穩(wěn),沒(méi)有出現(xiàn)小加速度時(shí)升力和阻力的突升和突降現(xiàn)象。(2)通過(guò)外特性實(shí)驗(yàn)獲得了模型泵最高效率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的流量在433m3/h左右,揚(yáng)程為3.22m,效率為75.948%。通過(guò)空化實(shí)驗(yàn)得到汽蝕余量NPSHr是穩(wěn)定揚(yáng)程的3%即為2.9m。在進(jìn)行啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí),通過(guò)變頻器控制啟動(dòng)時(shí)間,進(jìn)而得到不同的啟動(dòng)加速度,從而獲得啟動(dòng)過(guò)程的外特性實(shí)驗(yàn)。本次啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)做了1.1Q、1.05Q、1.0Q、0.9Q和0.8Q五組實(shí)驗(yàn),在五組不同流量實(shí)驗(yàn)中,每組各選取了10s、15s和20s三種不同的啟動(dòng)加速度。通過(guò)拍攝啟動(dòng)到穩(wěn)態(tài)過(guò)程的30s時(shí)間,來(lái)獲得啟動(dòng)過(guò)程的外特性。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn),同組流量工況下,啟動(dòng)時(shí)間越短,流量、轉(zhuǎn)速和揚(yáng)程達(dá)到穩(wěn)定點(diǎn)所需時(shí)間越長(zhǎng),滯后現(xiàn)象越明顯,大約滯后2s左右。在大流量工況下,啟動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng),揚(yáng)程開(kāi)始上升的時(shí)間點(diǎn)越滯后。大流量工況相比于小流量工況,啟動(dòng)開(kāi)始階段,揚(yáng)程的滯后更加明顯。在小流量工況下,啟動(dòng)開(kāi)始階段揚(yáng)程沒(méi)有出現(xiàn)滯后,轉(zhuǎn)速也基本沒(méi)有出現(xiàn)滯后,而流量在不同加速時(shí)間工況下都出現(xiàn)了滯后現(xiàn)象,大約2s左右。(3)對(duì)混流泵啟動(dòng)過(guò)程的空化特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn),研究了0.8Q、0.9Q、1.0Q和1.05Q四種工況下10s、15s和20s啟動(dòng)時(shí)間下空化現(xiàn)象。通過(guò)高速數(shù)碼攝像技術(shù),對(duì)其空化現(xiàn)象進(jìn)行拍攝,總共拍攝了25s啟動(dòng)過(guò)程。在啟動(dòng)空化實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,開(kāi)始階段由于速度小,壓力沒(méi)有達(dá)到汽化壓力,沒(méi)有出現(xiàn)空化現(xiàn)象,當(dāng)啟動(dòng)時(shí)間達(dá)到穩(wěn)定點(diǎn)后在葉輪葉頂處出現(xiàn)了空泡,隨后在葉輪流道內(nèi)出現(xiàn)空泡,產(chǎn)生很嚴(yán)重的空化。在相同流量下進(jìn)口壓力越小(空化數(shù)越小),空化發(fā)生的越嚴(yán)重。在-20k Pa時(shí),空泡在葉輪葉頂附近聚集,流道內(nèi)基本沒(méi)有空泡。而當(dāng)進(jìn)口壓力降為-60k Pa時(shí),空泡幾乎充滿了葉輪流道,空化非常嚴(yán)重。同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)在相同進(jìn)口壓力情況下,不同流量下的空化程度基本相同,區(qū)別性不是很大。
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TH313

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