【摘要】：葉頂間隙泄漏流是軸流式水力機(jī)械中的典型流動現(xiàn)象,伴隨豐富的渦流運(yùn)動及渦空化現(xiàn)象,嚴(yán)重影響水力機(jī)械的安全穩(wěn)定運(yùn)行。在旋渦與空化的相互作用下,渦空化的流動機(jī)理十分復(fù)雜。本文采用數(shù)值模擬技術(shù),開展間隙渦流及渦空化的計算方法及流場特性研究。首先,以單一水翼為研究對象,分析了旋轉(zhuǎn)與曲率修正的湍流模型對翼端間隙泄漏渦的適用性。通過與SST k-ω模型對比,修正湍流生成項的SST-CC模型可以更準(zhǔn)確獲得下游泄漏渦的速度分布,與參考實驗結(jié)果吻合。獲得了渦量和壓力沿泄漏渦軌跡的變化規(guī)律,填補(bǔ)了實驗中難以獲得翼型附近渦流參數(shù)的空白。SST-CC模型改善了泄漏渦空化的預(yù)測效果,但未能捕捉到更遠(yuǎn)下游的空化渦區(qū)域。采用與旋轉(zhuǎn)率和應(yīng)變率比例相關(guān)的無量綱參數(shù)f*辨識渦旋強(qiáng)度,建立了 ZGB空化模型中的凝結(jié)系數(shù)與f*的定量關(guān)系,形成可識別渦強(qiáng)度的VIZGB空化模型,實現(xiàn)了對下游遠(yuǎn)場渦空化的合理預(yù)測�；跍u量輸運(yùn)方程,探討了渦空化的流動機(jī)理。其次,考慮間隙流場對幾何特征的敏感性,研究了翼端形狀、間隙寬度和翼型厚度的影響。驗證了圓角處理翼端邊緣對抑制間隙分離渦的作用,新建符合轉(zhuǎn)子葉頂幾何特點(diǎn)的直角翼型,揭示了間隙分離渦的低壓特征,發(fā)現(xiàn)分離渦導(dǎo)致泄漏量減少,分析了分離渦對泄漏渦的影響。獲得了沿渦軌跡不同位置處的渦強(qiáng)度Γ*隨間隙寬度τ的變化曲線,表明不同寬度下最大渦強(qiáng)出現(xiàn)的位置不同。新建符合軸流泵葉頂厚度設(shè)計的薄翼型,與原厚度翼型比較發(fā)現(xiàn):當(dāng)間隙絕對寬度值一定時,間隙泄漏量以及泄漏渦的軌跡和強(qiáng)度基本一致,分離渦在薄翼型中得到減弱。最后,以軸流式推進(jìn)泵為對象開展旋轉(zhuǎn)機(jī)械的葉頂間隙流場研究。在非空化條件下,采用SST-CC湍流模型的計算結(jié)果表明:隨著流量增大,間隙泄漏渦的初生位置沿葉頂向下游移動,泄漏渦軌跡向葉片吸力面靠近;泄漏渦區(qū)域的壓力脈動較強(qiáng)。在空化條件下,采用VIZGB空化模型的計算結(jié)果表明:隨著空化數(shù)降低,空化泄漏渦的初生位置沿葉頂向下游移動,泄漏渦與葉片夾角保持不變;葉頂空化現(xiàn)象導(dǎo)致泄漏流量減小,葉頂楔形空化末端區(qū)域的壓力脈動較強(qiáng)。研究了間隙寬度對葉頂渦流及空化的影響。隨著間隙寬度增大,泄漏渦區(qū)域擴(kuò)大,渦強(qiáng)增強(qiáng),初生位置向下游移動,葉頂空化隨泄漏渦而相應(yīng)變化。定量比較葉頂和葉片表面空泡體積隨空化數(shù)的變化,發(fā)現(xiàn)間隙寬度主要影響葉頂空化區(qū),而該區(qū)域的增加是導(dǎo)致較寬間隙下泵的臨界空化系數(shù)增加以及性能陡降的關(guān)鍵因素。本文取得的研究成果,為合理預(yù)測間隙渦流及渦空化奠定了基礎(chǔ),對于間隙渦流及其空化影響下的軸流式水力機(jī)械特性研究具有指導(dǎo)意義。
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圖片說明： 夫＝ｍａｘ邋｛ｍｉｎ邋（／［。。，，uQ，１．２５），0｝邐（２－３３邋）逡逑通過將ＳＳＴ模型中４和？輸運(yùn)方程的生成項巧修正為巧？NB，其中逡逑ｙ；．邋＝邋ｍａｘ［０，ｌ邋＋邋Ｃｓ邋礎(chǔ)（／ｒ－１）］邐（２－３４）逡逑式中Ｇｕｉｅ是比例系數(shù)，默認(rèn)值為１。ＳＳＴ－ＣＣ模型在ＡＮＳＹＳＣＦＸ軟件中可直接調(diào)用，類似的旋逡逑轉(zhuǎn)曲率修正方法也可用于軟件中的其它鍋粘模型。逡逑２．４翼端間隙流場算例逡逑２．４．１計算模型及邊界條件逡逑參考Ｄｒｅｙｅｒ的水翼實驗ｆｉ？，水槽具有邊長為１５０ｍｍ的方形過流截面，，長度為７州ｍｍ。水逡逑翼截面為ＮＡＣＡ０００９翼型，翼型弦長ｃ＝１００ｍｍ，最大厚度＆？＾＝９．９１１？，展向總長６＝１５０ｍｍ。逡逑實驗中水翼側(cè)端面與水槽壁面之間存在間隙，其競度值Ｗ與翼型最大厚度、。、作比值，得到無量逡逑綱的間隙寬度，記作ｒ，實驗中ｒ值介于０」￣２之間。根據(jù)實驗?zāi)Ｐ偷膸缀螀?shù)建立數(shù)值模擬的逡逑計算域，如圖２－１所示。坐標(biāo)系中的Ｚ軸表示來流方向，翼型弦長中點(diǎn)位于ｚ邋＝邋０處，不同流向位逡逑置通過Ｚ坐標(biāo)與弦長比值ｚ／ｃ的大小來確定。Ｘ軸表示水翼的展向方向。逡逑邐：逡逑
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圖片說明： 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)博±學(xué)位論文邐第－章無空化間隙流場數(shù)值計算模型研巧逡逑成，采用穩(wěn)態(tài)計算，其收斂判據(jù)為ＲＭＳ達(dá)到１0－６。參考實驗的公開數(shù)據(jù)作為驗證本文數(shù)值模擬逡逑計算的依據(jù)，實驗方法及圖片結(jié)果主要來自引用的參考文獻(xiàn)［１０２巧Ｐ口８］，另外，文獻(xiàn)口８］在相關(guān)逡逑網(wǎng)頁提供了實驗的補(bǔ)充數(shù)據(jù)ＭＷ，包括無空化條件下游流向截面上的速度信息Ｗ及空化泄漏禍的錄逡逑像文件。逡逑２．４．２網(wǎng)格劃分及驗證逡逑采用ＩＣＥＭ軟件，對計算域進(jìn)行六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格區(qū)域分塊結(jié)構(gòu)如圖２－２邋（ａ）所示。逡逑根據(jù)參考實驗對間隙泄漏滿流場的測試范圍，近似對應(yīng)下游２倍弦長Ｃ內(nèi)的５０ｍｍ邋Ｘ邋５０ｍｍ流向截逡逑面區(qū)域，對圖中ｊｃ，ｘｊ；，ｘｚ，范圍進(jìn)行網(wǎng)格加密，其中最大網(wǎng)格尺寸不超過實驗所用的０．６ｍｍ離散逡逑精度。對翼端附近進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，如圖２－２邋（ｂ）所示。逡逑
【學(xué)位授予單位】：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TK72

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2514955