本文選題：空化流動　切入點：葉頂間隙渦　出處：《北京理工大學》2016年博士論文

【摘要】：旋渦空化是當前空化研究領域的熱點問題之一,作為一種典型的旋渦空化流動,間隙旋渦空化流動是水力機械內部的常見現(xiàn)象,其發(fā)生發(fā)展嚴重影響機組效率和運行穩(wěn)定性;開展間隙旋渦空化現(xiàn)象的研究具有重要的科學意義和工程應用價值。為了探究間隙旋渦空化流動特性,揭示空化旋渦流動機理,作者開展了繞矩形水翼間隙空化流動的實驗研究,建立了一種考慮旋渦運動對相間質量傳輸過程影響的空化模型,結合實驗和數(shù)值方法對間隙旋渦空化流動機理進行了深入研究。主要內容及結論如下:獲得了間隙旋渦空化的形態(tài)變化及其非定常演化過程,定義了空化渦帶、間隙附著空化以及剪切層空化三種空化形態(tài)并獲得了其非定常演化過程:隨著空化數(shù)的降低,間隙附著空化逐漸發(fā)展并延伸至間隙之外,與空化渦帶相互作用,形成具有顯著非定常特性的三角形剪切層空化。得到了攻角和間隙尺寸對非定常演化過程的影響:攻角從AOA=2°增加到AOA=6°時,間隙區(qū)域空化流動由尾跡形式逐漸向射流形式轉變,剪切層空化周期性破裂和重構過程逐漸產生。無量綱間隙尺寸從=0.061增加到=0.427時,間隙區(qū)域空化流動由射流形式逐漸向尾跡形式轉變,剪切層空化周期性破裂和重構過程逐漸消失。研究了攻角和間隙尺寸對間隙旋渦空化流體動力特性的影響:攻角從AOA=2°增加到AOA=6°時,時均升力系數(shù)逐漸上升,低頻波動的能量分布逐漸集中;間隙尺寸從=0.061增加到=0.427時,升力系數(shù)高頻波動能量分布逐漸集中,間隙尺寸=0.244工況的水翼時均升力系數(shù)最大。建立了考慮旋渦運動對相間質量傳輸過程影響的空化模型,通過對旋渦空化流動的計算表明該空化模型對不同湍流模型具有良好的適用性,計算精度高于傳統(tǒng)Zwart模型。針對間隙旋渦空化流動的定常計算結果表明:旋渦空化模型可以準確模擬由于葉頂間隙旋渦結構耗散引起的汽液相間質量傳輸過程,預測間隙空化渦帶長度大于Zwart模型預測結果,與實驗結果相吻合。針對二維云狀空化流動的非定常計算結果表明:旋渦空化模型可以準確模擬由于大尺度脫落旋渦結構的耗散引起的汽液相間質量傳輸過程,對云狀空泡脫落過程的預測能力優(yōu)于Zwart模型。針對間隙旋渦空化流動的非定常計算結果表明:旋渦空化模型不僅可以較好地捕捉葉頂間隙區(qū)域空化渦帶、間隙附著空化和剪切層空化的非定常演化過程,也可以準確捕捉水翼吸力面附近前緣空化的局部以及大尺度脫落過程。揭示了間隙旋渦空化非定常流動機理:當葉片前緣空化發(fā)展至片狀空化時,水翼尾緣渦的非定常脫落過程會導致間隙空化渦帶產生高頻辮狀螺旋式波動;當前緣空化發(fā)生斷裂和脫落時,周期性脫落的空泡團顯著改變葉頂附近的迎背流面壓力差值,從而引起剪切層空化的低頻周期性的破裂和重構。獲得了間隙區(qū)域空化旋渦結構動力特性的演化規(guī)律:隨著空化數(shù)的降低,前緣空化的發(fā)展會導致葉頂區(qū)域水翼迎背流面壓力差值減小,從而導致旋渦結構的速度環(huán)量降低。得到了攻角和間隙尺寸對旋渦結構動力特性的影響:隨著攻角從AOA=2°增加到AOA=6°,旋渦結構的速度環(huán)量逐漸增加,最大值分布位置向水翼前緣移動,速度環(huán)量開始出現(xiàn)顯著下降時對應的空化數(shù)逐漸升高。間隙尺寸從=0.061增加到=0.244,旋渦結構的速度環(huán)量增加,而間隙尺寸從=0.244增加到=0.427,旋渦結構的速度環(huán)量減小;間隙尺寸的增加引起葉頂迎背流面壓力差先增加后減小的變化規(guī)律是導致速度環(huán)量產生先增加后減小的原因。
[Abstract]:In order to study the cavitation flow characteristics of the gap vortex , the cavitation flow in the gap area is gradually concentrated , the cavitation periodic rupture and the reconstruction process of the gap are gradually concentrated . The influence of the angle of attack and the gap dimension on the dynamic characteristics of the vortex structure is obtained . As the angle of attack increases from AOA = 2 擄 to AOA = 6 擄 , the velocity ring volume of the vortex structure increases gradually . The velocity ring of the vortex structure increases gradually . The gap size increases from = 0.244 to = 0.427 , and the velocity ring of the vortex structure decreases . The increase of the gap size causes the pressure difference between the blade top and the back flow surface to increase first and then decrease the change rule .

【學位授予單位】：北京理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TK72

【參考文獻】

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本文編號：1670272