本文關(guān)鍵詞：三維水翼和軸流泵葉頂泄漏渦結(jié)構(gòu)及其空化機(jī)理研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：軸流泵廣泛應(yīng)用于大中型調(diào)水工程、核電工程、噴水推進(jìn)、武器發(fā)射裝置等國家戰(zhàn)略性工程。由于葉頂間隙的存在,軸流泵外緣常出現(xiàn)葉頂泄漏流及其空化現(xiàn)象,導(dǎo)致機(jī)組效率降低。本文以三維帶間隙的水翼和某一軸流泵模型為主要研究對象,利用數(shù)值模擬和試驗(yàn)并重的研究方法,探討葉頂泄漏渦的三維結(jié)構(gòu)和演化規(guī)律,掌握葉頂區(qū)空化的發(fā)展特性,揭示葉頂泄漏渦的空化機(jī)理,主要研究內(nèi)容如下:(1)對于不同的葉頂間隙,發(fā)現(xiàn)在小間隙下葉頂泄漏渦發(fā)生卷吸更早,同時(shí)葉頂泄漏渦渦帶與葉片吸力面的夾角更大。盡管在大間隙下泄漏渦初生發(fā)生延遲,但是在同一位置處泄漏渦的強(qiáng)度要比小間隙下的大。根據(jù)葉頂泄漏渦渦心的壓力分布,發(fā)現(xiàn)越靠近前緣的區(qū)域,泄漏渦越容易發(fā)生空化。通過軸向速度和湍動能數(shù)據(jù)以及云圖分布來分析間隙內(nèi)的流場。從間隙進(jìn)口到出口,軸向速度先加速到最大值,然后減速。從葉頂端面到壁面,泄漏流慢慢加速然后達(dá)到最大值。間隙內(nèi)的湍動能分布也有類似的趨勢。隨著間隙的增大,泄漏流的速度更快,同時(shí)分離渦區(qū)域具有更高的湍動能分布。根據(jù)不同間隙下的瞬態(tài)渦量場分布可以看出,泄漏渦會與壁面和主流相互作用,在壁面附近產(chǎn)生反向旋轉(zhuǎn)的誘導(dǎo)渦,并且與壁面相互作用。壁面邊界層分離區(qū)域會被泄漏渦卷吸,分布在其渦心四周。此外發(fā)現(xiàn),在大間隙下,葉片吸力面表面的高渦量也會被泄漏渦卷吸,為其運(yùn)動提供能量。從湍動能生成和雷諾應(yīng)力的分布可以看出,高湍動能生成主要分布在壁面分離區(qū)以及葉頂間隙內(nèi)分離渦區(qū)域。在壁面分離區(qū)域,湍動能生成的主要機(jī)理與湍動能生成分量有關(guān)。除了葉頂泄漏渦渦心的等方性,其他區(qū)域的正應(yīng)力都是非均勻的�？傮w而言,當(dāng)一個(gè)正應(yīng)力很大時(shí),另一個(gè)就會很小。二次流的畸變項(xiàng)最大的單項(xiàng)為vw剪切應(yīng)力,其次為正剪切應(yīng)力項(xiàng)。(2)根據(jù)葉頂區(qū)的流線分布可以看出,隨著流量的增大,葉頂前緣的壓力差減小,葉頂泄漏渦的初生位置不斷向葉頂中間弦長位置靠近。同時(shí)由于主流的增大,造成葉頂泄漏渦渦心軌跡更加靠近葉片吸力面。間隙內(nèi)的流場在不同流量下總體趨勢相同,都是沿著徑向方向由主流變?yōu)槿~頂泄漏流,軸向速度由正的變?yōu)樨?fù)值,且增大到最大值,然后越靠近壁面速度會減小。在不同流量系數(shù)下,主要存在幾個(gè)明顯的特征:1)葉頂泄漏流快速地進(jìn)入間隙內(nèi)部,在壓力邊附近發(fā)生流動分離,然后會重新附著在葉頂端面處,且這個(gè)附著點(diǎn)會隨著流量的增大不斷向出口延伸,在大流量情況下會出現(xiàn)無附著現(xiàn)象。2)小流量下泄漏流的速度更大,導(dǎo)致葉頂泄漏渦軌跡更加遠(yuǎn)離葉頂。從葉頂間隙內(nèi)湍動能的分布可以看出,隨著流量的增大,發(fā)現(xiàn)分離渦區(qū)域的湍動能值逐漸減小,說明小流量下葉頂分離渦的強(qiáng)度最強(qiáng)。在小流量工況下,越靠近葉輪室壁面處,湍動能值分布較為均勻。而隨著流量的增大,這個(gè)趨勢逐漸往流道中間靠近,主要還是受到葉頂分離渦的影響。對比不同弦長系數(shù)下間隙內(nèi)的流場分布,不管是主流速度還是泄漏流速度,都會隨著弦長系數(shù)的增大而減小,由于葉頂前緣較大的壓力差,使得更多的泄漏流快速地經(jīng)過葉頂。在葉頂前緣,泄漏流幾乎不出現(xiàn)附著現(xiàn)象,而隨著弦長系數(shù)的增大,泄漏流的附著位置向進(jìn)口方向靠近。說明在葉頂前緣,由于更強(qiáng)的葉頂分離渦,主流幾乎占據(jù)了靠近葉頂端面處。而觀察葉頂間隙內(nèi)的湍動能分布,可以看出隨著弦長系數(shù)的增大,葉頂分離渦的強(qiáng)度變小,主要由于葉頂前緣的壓力差較大,導(dǎo)致分離渦更強(qiáng)。盡管在葉頂前緣處生成的分離渦強(qiáng)度更強(qiáng),但是其對于近葉輪室壁面處的影響卻很小。由于在大流量下工況下,葉頂泄漏渦的初生延遲,導(dǎo)致在同一弦長系數(shù)處泄漏渦渦心的渦量更大,壓力更低。利用最小張量法則,能夠判別出葉頂區(qū)最易發(fā)生空化初生的具體位置,發(fā)現(xiàn)間隙內(nèi)的葉頂分離渦,葉頂泄漏渦以及葉片吸力面最易發(fā)生空化初生。通過對葉頂區(qū)不同渦量邊界層的細(xì)致分析,總結(jié)了葉頂泄漏渦的三維卷吸結(jié)構(gòu),從而從數(shù)值模擬的角度驗(yàn)證了葉頂泄漏渦卷吸的空間結(jié)構(gòu)。(3)從額定工況下葉頂不修圓葉輪的PIV結(jié)果分析得出,葉頂泄漏渦在葉片吸力面附近生成,與剪切層相連,同時(shí)在上游的壁面邊界層內(nèi)也產(chǎn)生渦量,泄漏渦在向相鄰葉片的壓力面移動時(shí),其渦量先略微減小,然后吸收剪切層的渦量以及壁面邊界層的渦量達(dá)到最大值,最后與剪切層分離,由于自身的運(yùn)動的耗散,渦量逐漸減小,并且在其下游出現(xiàn)大量尾跡,影響了下游流場。(4)通過與SST k-w對比,發(fā)現(xiàn)基于密度修正的濾波器模型能夠更好的模擬葉頂區(qū)空化流現(xiàn)象,且能夠減小空化尾緣由于渦粘度過大導(dǎo)致的空穴無法脫落的現(xiàn)象。此外,對比RNG k-e和FBM模型,修正后的模型能夠減少葉頂區(qū)的渦粘度,同時(shí)得到的泄漏渦渦帶更加明顯。利用修正后得湍流模型,得到了葉頂區(qū)空化的瞬態(tài)演變過程。隨著空化數(shù)的降低,空泡面積不斷增大,空化現(xiàn)象逐漸嚴(yán)重。通過高速攝影試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),小流量下葉頂區(qū)空化初生更早,且更加劇烈。葉頂泄漏渦的軌跡和從輪轂到輪緣的徑向射流共同導(dǎo)致了片狀空化尾緣靠近葉頂區(qū)的垂直空化渦的生成和發(fā)展。小流量工況下,垂直空化渦的角度更加垂直葉片表面。當(dāng)向相鄰葉片壓力面運(yùn)動時(shí),垂直空化渦會被相鄰葉片切斷成為兩部分,一部分直接作用在葉片壓力面上,其潰滅會造成葉片表面流動失穩(wěn);另一部分會由于吸力面的低壓而快速發(fā)展,加速了相鄰葉片葉頂區(qū)的空化。隨著流量的增大,垂直空化渦的強(qiáng)度會變?nèi)?且其軌跡逐漸平行于葉片吸力面。通過數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)了徑向射流是由于輪轂渦的作用和主流的速度分量共同造成的,其中輪轂渦是主要因素。相比于3葉片,由于流道的寬度和葉片載荷的不同,導(dǎo)致4葉片內(nèi)垂直空化渦有不同的現(xiàn)象。在向相鄰葉片壓力面移動的過程中,垂直空化渦會向相鄰葉片間隙內(nèi)提供空化核,導(dǎo)致相鄰葉片空化的加重;同時(shí)隨著流量的增大,垂直空化渦甚至?xí)拖乱蝗~片的尾緣空化產(chǎn)生交互作用。盡管葉頂壓力邊導(dǎo)圓可以大大較少間隙空化,但是卻會導(dǎo)致泄漏渦空化更加嚴(yán)重,使得葉頂區(qū)空化初生現(xiàn)象更早。一旦垂直空化渦形成占據(jù)了流道,將會造成流量的減小,葉頂尾緣間隙空化的消失。葉頂導(dǎo)圓后,垂直空化渦的強(qiáng)度更強(qiáng),而在不導(dǎo)圓的葉片中,垂直空化渦結(jié)構(gòu)比較松散,會導(dǎo)致不同尺度的空穴脫落,與相鄰葉片產(chǎn)生多重交互作用,嚴(yán)重影響了下一葉片的流動情況。
【關(guān)鍵詞】：水翼 軸流泵 葉頂泄漏渦 空化 可視化試驗(yàn)
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TH312
【目錄】：

• 摘要5-8
• Abstract8-14
• 第一章 緒論14-23
• 1.1 研究目的和意義14-15
• 1.2 葉頂泄漏流研究現(xiàn)狀15-21
• 1.2.1 葉柵中葉頂泄漏流的試驗(yàn)研究15-17
• 1.2.2 旋轉(zhuǎn)機(jī)械中葉頂泄漏流的試驗(yàn)研究17-19
• 1.2.3 葉頂泄漏流的數(shù)值模擬19-21
• 1.3 葉頂泄漏渦空化研究現(xiàn)狀21-22
• 1.4 本文主要研究內(nèi)容22-23
• 第二章 三維水翼端部間隙流流動特性研究23-51
• 2.1 水翼端部泄漏流的研究現(xiàn)狀23-24
• 2.2 研究對象幾何模型24
• 2.3 網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置24-26
• 2.4 湍流模型26-28
• 2.4.1 SST k-ω 模型26-27
• 2.4.2 控制方程和LES湍流模型27-28
• 2.5 結(jié)果討論與分析28-49
• 2.5.1 大渦模擬的驗(yàn)證28-29
• 2.5.2 葉頂間隙內(nèi)的流場29-31
• 2.5.3 葉頂泄漏渦動力學(xué)特性31-38
• 2.5.4 葉頂泄漏渦渦量場38-42
• 2.5.5 葉頂泄漏渦湍流場42-49
• 2.6 本章小結(jié)49-51
• 第三章 軸流泵葉頂泄漏渦三維結(jié)構(gòu)及其卷吸機(jī)理51-71
• 3.1 旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的葉頂泄漏流51
• 3.2 軸流泵幾何模型，網(wǎng)格生成和數(shù)值設(shè)置51-54
• 3.2.1 泵幾何參數(shù)51-52
• 3.2.2 網(wǎng)格生成52-53
• 3.2.3 數(shù)值計(jì)算設(shè)置53-54
• 3.3 結(jié)果分析與討論54-68
• 3.3.1 不同工況下葉頂泄漏流動力學(xué)特性54-61
• 3.3.2 不同工況下葉頂泄漏渦動力學(xué)特性61-65
• 3.3.3 葉頂泄漏渦的PIV試驗(yàn)研究65-68
• 3.4 本章小結(jié)68-71
• 第四章 軸流泵葉頂渦空化形態(tài)及其演變規(guī)律71-96
• 4.1 旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的葉頂渦空化71-72
• 4.2 湍流模型和空化模型72-73
• 4.2.1 湍流模型72-73
• 4.2.2 空化模型73
• 4.3 可視化試驗(yàn)73-75
• 4.4 結(jié)果分析與討論75-94
• 4.4.1 穩(wěn)態(tài)空化分析75-81
• 4.4.2 瞬態(tài)空化分析81-84
• 4.4.3 不穩(wěn)定垂直云狀空化渦動力學(xué)特性分析84-94
• 4.5 本章小結(jié)94-96
• 第五章 總結(jié)與展望96-100
• 5.1 研究總結(jié)96-98
• 5.2 工作展望98-100
• 參考文獻(xiàn)100-108
• 致謝108-109
• 攻讀碩士學(xué)位期間參加的科研項(xiàng)目和發(fā)表的學(xué)術(shù)論文109-110

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本文編號：371589