【摘要】：本文的研究是在國家自然科學基金(51509111、51779106)的資助下開展的。為了滿足國家安全戰(zhàn)略裝備領域快速發(fā)展的需求,離心泵作為重要換能設備,正逐漸向高速、高性能的方向發(fā)展,而空化是限制其進一步發(fā)展的主要瓶頸。由于很多情況下難以避免空化的發(fā)生,因此提出可靠的空化判定方法,并掌握離心泵空化誘導不穩(wěn)定流動和噪聲的產(chǎn)生機理及變化規(guī)律,不僅能夠大幅提高設備運行的效率及可靠性,還能為其他水力機械故障診斷提供理論基礎和技術支撐。本文采用理論分析、試驗測量驗證和仿真計算相結合的方法,圍繞離心泵空化信號變化規(guī)律、不同空化階段下流場及聲場特性等進行了深入研究,旨在建立高靈敏度、高可靠性的離心泵空化判定方法,掌握空化條件下離心泵非定常流動和噪聲變化規(guī)律。主要工作和研究成果如下:1.闡述了空化及空蝕產(chǎn)生機理和主要形式,總結了國內(nèi)外離心泵空化判定的研究現(xiàn)狀,并對空化流場和聲場數(shù)值計算研究方法做了較為全面的概括。2.以一臺比轉速n_s=117.3離心泵為研究對象,基于可視化閉式試驗臺,對泵性能參數(shù)、空泡分布形態(tài)、振動噪聲等信號量進行同步采集,并對其變化規(guī)律進行研究。對照高速攝影試驗結果,基于各信號量變化規(guī)律,提出了基于液載噪聲、固載振動及氣載噪聲總級值的空化判定方法。研究表明:基于高速攝影判定空化的靈敏度最高;基于液載噪聲、固載振動和氣載噪聲總級值上升的空化初生判定閾值分別為0.5%、0.5%和0.7%;相比固載振動及氣載噪聲,基于液載噪聲總聲壓級的空化判定方法靈敏度較高,受環(huán)境干擾小。3.在傳統(tǒng)空化階段劃分方法的基礎上,兼顧各信號量的變化情況與空化發(fā)展的關系,提出了更加精細的空化階段劃分方法。以各信號量級值曲線最大值對應空化數(shù)分布為依據(jù),兼顧空化發(fā)展與能量損耗關系,發(fā)現(xiàn)固載振動空化極值點相比液載噪聲空化極值點對應空化程度更加嚴重。以固載振動空化極值點劃分了嚴重空化階段和過嚴重空化階段;以揚程下降3%作為空化臨界點劃分了空化發(fā)展階段及嚴重空化階段;以液載噪聲總聲壓級上升0.5%劃分了空化初生和空化發(fā)展階段;以可視空化初生點劃分了未空化階段和空化初生階段。4.由于高速攝影的限制性較強,為進一步提高基于信號量空化判定方法的靈敏度,通過對比流量系數(shù)及空化數(shù)的變化對振動噪聲頻譜的影響,獲得了適用于空化判定的頻段范圍,采用3σ原則確定了振動和噪聲的空化閾值。按照空化判定靈敏度順序,各信號量空化判定頻段及閾值依次為:基于液載噪聲2000~3000Hz頻段寬頻聲壓級上升1%,基于固載振動10~50Hz頻段寬頻振級上升1%,基于固載振動1000~3000Hz頻段寬頻振級上升1.1%。5.通過一臺比轉速n_s=25的超低比轉速離心泵進行驗證試驗,進一步定量分析各信號量隨空化發(fā)展的變化規(guī)律,驗證了空化階段劃分的合理性,確定了基于不同信號量總級值空化判定方法的準確性。統(tǒng)計了空化誘導振動噪聲信號頻譜分布區(qū)間,驗證了空化判定頻段的一致性,證明了信號量各頻段空化閾值的可靠性。6.為揭示不同空化階段泵內(nèi)部空化形態(tài)及流場不穩(wěn)定流動特性的變化規(guī)律,建立了離心泵內(nèi)部非定�？栈鲃拥臄�(shù)值計算方法,實現(xiàn)了空化流場渦結構分布及非定常力等的仿真計算。研究表明:隨空化的發(fā)展,空泡生成區(qū)位置基本不變,潰滅區(qū)向葉輪外緣發(fā)展;渦核體積分布逐漸增加;小流量工況下由于進口回流形成的渦生空化,導致葉輪各葉片空泡分布不均勻;壓力脈動幅值隨空化的發(fā)展明顯增加,主頻逐漸由葉頻變?yōu)檩S頻,高頻脈動分量減小;葉輪徑向力隨空化的發(fā)展逐漸降低。7.構建了一種空化誘導噪聲計算模型,針對液載噪聲,分別基于邊界元法和Proudman半經(jīng)驗模型法對不同空化階段遠場和近場噪聲分布進行計算;針對氣載噪聲,建立了不同聲源作用下的流動噪聲和流激噪聲分析模型,分析了不同性質噪聲源不同空化階段的聲壓分布情況及貢獻量。研究表明:空化的發(fā)展使流體湍動能及其耗散率增加,液載噪聲近場聲功率增大;遠場噪聲在固定聲源作用下,特征頻率處聲壓級隨空化數(shù)的減小先減小后增加;扇聲源作用下,特征頻率處聲壓級隨空化數(shù)的減小而減小;不同聲源聲壓指向性分布不同,相同聲源流動噪聲和流激噪聲聲壓指向性分布不同。固定聲源作用下的流激噪聲對氣載噪聲的貢獻量最大。
【學位授予單位】：江蘇大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TH311
【圖文】：

圖 1-1 氣泡內(nèi)外壓力平衡內(nèi)外壓力的平衡狀態(tài)。假設存在一P。在平衡狀態(tài)下，由于受到液體表rPP2'va ，對于常溫下清水而言，取σ'=0.kPa。由此看來，若使氣泡生長，液不符的原因有很多解釋。一種觀點表面的張力會起到減小壓力的作用一種觀點認為：氣核被有機薄膜所中液體介質不是純凈的，液體中的。由于氣核的存在使得式（1-1）的

江 蘇 大 學 碩 士 學 位 論 文力法[8]和激光散射法[9]均證實了氣核的存在，進一步印證了氣核是空化產(chǎn)生的主要影響因素。工程上認為液體壓力降低到液體在該溫度下飽和蒸氣壓時開始空化，而在水力機械中由于空化的物理特性不同，空化的種類也有不同。1.2.1.2 空化的主要形式根據(jù)空化的物理特性，可以將空化的主要形式分為游移空泡、附著空化及旋渦空化等幾種形式[10-11]，如圖 1-2 所示。

離心泵空化判定及流聲特性研究）在任何液體（包括惰性的、金屬性的）的一定動力蝕破壞。國內(nèi)外學者對于空蝕機理進行了大量的理論可歸納為：化學腐蝕、電化學腐蝕、熱力學影響、機械是目前學術界較為認可的主要空蝕原因。他們認為和沖擊波的強大沖擊作用是過流部件產(chǎn)生空蝕的出，空泡潰滅時近壁處的微射流脈沖速度最高可達壓力最高可達 58.2GPa；固體表面受到微射流沖擊）。雖然微射流的作用時間僅有幾微秒，然而高速高體表面形成空蝕，低強度的反復沖擊作用則會引起固空蝕破壞的葉輪葉片。

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

1 付強;曹梁;朱榮生;王秀禮;;空化模型熱力學修正的核主泵空化研究[J];核動力工程;2015年06期

2 洪鋒;袁建平;周幫倫;;空泡半徑非線性變化的空化模型及應用[J];華中科技大學學報(自然科學版);2015年10期

3 劉忠;鄒淑云;李志鵬;巨偉;;離心泵空化狀態(tài)下聲發(fā)射信號的小波能量特征[J];農(nóng)業(yè)工程學報;2015年08期

4 阮輝;廖偉麗;黃永;趙亞萍;趙夏青;;水翼的空化噪聲數(shù)值預報研究[J];西安理工大學學報;2015年01期

5 張德勝;陳健;張光建;施衛(wèi)東;潘大志;;軸流泵葉頂泄漏渦空化的數(shù)值模擬與可視化實驗研究[J];工程力學;2014年09期

6 王順杰;王易川;戴衛(wèi)國;李斌;;片空化狀態(tài)下對轉螺旋槳噪聲特性仿真分析[J];船舶力學;2014年07期

7 薛瑞;張淼;許戰(zhàn)軍;藺蕾蕾;;對不同空化模型的比較研究[J];西北水電;2014年02期

8 張永學;宋鵬飛;許聰;田原;張金亞;;預旋調(diào)節(jié)對離心泵空化影響的試驗與數(shù)值模擬[J];農(nóng)業(yè)機械學報;2014年09期

9 施衛(wèi)東;吳蘇青;張德勝;姚捷;張光建;;葉片數(shù)對高比轉數(shù)軸流泵空化特性的影響[J];農(nóng)業(yè)機械學報;2013年11期

10 李文廣;;全空化模型預測離心泵汽蝕性能的準確度[J];水泵技術;2013年05期

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1 邱寧;泵葉輪材料空蝕試驗研究[D];浙江大學;2016年

2 唐銳;水下殼體結構低頻聲輻射預報方法與試驗測試技術研究[D];哈爾濱工程大學;2013年

3 王勇;離心泵空化及其誘導振動噪聲研究[D];江蘇大學;2011年

相關碩士學位論文 前3條

1 弓路家;液氧渦輪泵軸向力計算及空化流場分析[D];哈爾濱工業(yè)大學;2016年

2 張玉;壓水堆核主泵流場數(shù)值模擬和空化分析[D];浙江大學;2011年

3 張文軍;離心泵全流道內(nèi)空化流場的數(shù)值模擬及預測[D];蘭州理工大學;2008年

本文編號：2799449