【摘要】：本文的研究是在國(guó)家自然科學(xué)基金(51509111、51779106)的資助下開(kāi)展的。為了滿足國(guó)家安全戰(zhàn)略裝備領(lǐng)域快速發(fā)展的需求,離心泵作為重要換能設(shè)備,正逐漸向高速、高性能的方向發(fā)展,而空化是限制其進(jìn)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(dǎo)不穩(wěn)定流動(dòng)和噪聲的產(chǎn)生機(jī)理及變化規(guī)律,不僅能夠大幅提高設(shè)備運(yùn)行的效率及可靠性,還能為其他水力機(jī)械故障診斷提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。本文采用理論分析、試驗(yàn)測(cè)量驗(yàn)證和仿真計(jì)算相結(jié)合的方法,圍繞離心泵空化信號(hào)變化規(guī)律、不同空化階段下流場(chǎng)及聲場(chǎng)特性等進(jìn)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(dòng)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(jī)理和主要形式,總結(jié)了國(guó)內(nèi)外離心泵空化判定的研究現(xiàn)狀,并對(duì)空化流場(chǎng)和聲場(chǎng)數(shù)值計(jì)算研究方法做了較為全面的概括。2.以一臺(tái)比轉(zhuǎn)速n_s=117.3離心泵為研究對(duì)象,基于可視化閉式試驗(yàn)臺(tái),對(duì)泵性能參數(shù)、空泡分布形態(tài)、振動(dòng)噪聲等信號(hào)量進(jìn)行同步采集,并對(duì)其變化規(guī)律進(jìn)行研究。對(duì)照高速攝影試驗(yàn)結(jié)果,基于各信號(hào)量變化規(guī)律,提出了基于液載噪聲、固載振動(dòng)及氣載噪聲總級(jí)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(dòng)和氣載噪聲總級(jí)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(dòng)及氣載噪聲,基于液載噪聲總聲壓級(jí)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(chǔ)上,兼顧各信號(hào)量的變化情況與空化發(fā)展的關(guān)系,提出了更加精細(xì)的空化階段劃分方法。以各信號(hào)量級(jí)值曲線最大值對(duì)應(yīng)空化數(shù)分布為依據(jù),兼顧空化發(fā)展與能量損耗關(guān)系,發(fā)現(xiàn)固載振動(dòng)空化極值點(diǎn)相比液載噪聲空化極值點(diǎn)對(duì)應(yīng)空化程度更加嚴(yán)重。以固載振動(dòng)空化極值點(diǎn)劃分了嚴(yán)重空化階段和過(guò)嚴(yán)重空化階段;以揚(yáng)程下降3%作為空化臨界點(diǎn)劃分了空化發(fā)展階段及嚴(yán)重空化階段;以液載噪聲總聲壓級(jí)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(diǎn)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(qiáng),為進(jìn)一步提高基于信號(hào)量空化判定方法的靈敏度,通過(guò)對(duì)比流量系數(shù)及空化數(shù)的變化對(duì)振動(dòng)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(dòng)和噪聲的空化閾值。按照空化判定靈敏度順序,各信號(hào)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(jí)上升1%,基于固載振動(dòng)10~50Hz頻段寬頻振級(jí)上升1%,基于固載振動(dòng)1000~3000Hz頻段寬頻振級(jí)上升1.1%。5.通過(guò)一臺(tái)比轉(zhuǎn)速n_s=25的超低比轉(zhuǎn)速離心泵進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn),進(jìn)一步定量分析各信號(hào)量隨空化發(fā)展的變化規(guī)律,驗(yàn)證了空化階段劃分的合理性,確定了基于不同信號(hào)量總級(jí)值空化判定方法的準(zhǔn)確性。統(tǒng)計(jì)了空化誘導(dǎo)振動(dòng)噪聲信號(hào)頻譜分布區(qū)間,驗(yàn)證了空化判定頻段的一致性,證明了信號(hào)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(chǎng)不穩(wěn)定流動(dòng)特性的變化規(guī)律,建立了離心泵內(nèi)部非定�？栈鲃�(dòng)的數(shù)值計(jì)算方法,實(shí)現(xiàn)了空化流場(chǎng)渦結(jié)構(gòu)分布及非定常力等的仿真計(jì)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(jìn)口回流形成的渦生空化,導(dǎo)致葉輪各葉片空泡分布不均勻;壓力脈動(dòng)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(dòng)分量減小;葉輪徑向力隨空化的發(fā)展逐漸降低。7.構(gòu)建了一種空化誘導(dǎo)噪聲計(jì)算模型,針對(duì)液載噪聲,分別基于邊界元法和Proudman半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头▽?duì)不同空化階段遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)噪聲分布進(jìn)行計(jì)算;針對(duì)氣載噪聲,建立了不同聲源作用下的流動(dòng)噪聲和流激噪聲分析模型,分析了不同性質(zhì)噪聲源不同空化階段的聲壓分布情況及貢獻(xiàn)量。研究表明:空化的發(fā)展使流體湍動(dòng)能及其耗散率增加,液載噪聲近場(chǎng)聲功率增大;遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲在固定聲源作用下,特征頻率處聲壓級(jí)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(jí)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(dòng)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(duì)氣載噪聲的貢獻(xiàn)量最大。
【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】：2018
【分類號(hào)】：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(shè)存在一P。在平衡狀態(tài)下，由于受到液體表rPP2'va ，對(duì)于常溫下清水而言，取σ'=0.kPa。由此看來(lái)，若使氣泡生長(zhǎng)，液不符的原因有很多解釋。一種觀點(diǎn)表面的張力會(huì)起到減小壓力的作用一種觀點(diǎn)認(rèn)為：氣核被有機(jī)薄膜所中液體介質(zhì)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(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文力法[8]和激光散射法[9]均證實(shí)了氣核的存在，進(jìn)一步印證了氣核是空化產(chǎn)生的主要影響因素。工程上認(rèn)為液體壓力降低到液體在該溫度下飽和蒸氣壓時(shí)開(kāi)始空化，而在水力機(jī)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(dòng)力蝕破壞。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于空蝕機(jī)理進(jìn)行了大量的理論可歸納為：化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕、熱力學(xué)影響、機(jī)械是目前學(xué)術(shù)界較為認(rèn)可的主要空蝕原因。他們認(rèn)為和沖擊波的強(qiáng)大沖擊作用是過(guò)流部件產(chǎn)生空蝕的出，空泡潰滅時(shí)近壁處的微射流脈沖速度最高可達(dá)壓力最高可達(dá) 58.2GPa；固體表面受到微射流沖擊）。雖然微射流的作用時(shí)間僅有幾微秒，然而高速高體表面形成空蝕，低強(qiáng)度的反復(fù)沖擊作用則會(huì)引起固空蝕破壞的葉輪葉片。

【參考文獻(xiàn)】

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