水力機(jī)械空化數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)研究.pdf

1、隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速增長，水力機(jī)械行業(yè)也逐漸步入了黃金階段。一批批大型工程的不斷上馬，對水力機(jī)械各方面的性能也提出了更高的要求。其中效率、空化和穩(wěn)定性是三個最為傳統(tǒng)也是最為重要的性能指標(biāo)。效率關(guān)系到對能量的利用，空化關(guān)系到機(jī)組的運(yùn)行壽命，而穩(wěn)定性則關(guān)系到機(jī)組能否安全、正常地運(yùn)行。實(shí)際上這三個性能指標(biāo)并不是獨(dú)立的，其間聯(lián)系緊密。從水力機(jī)械的效率、穩(wěn)定性和空化性能這三個研究領(lǐng)域目前所發(fā)表的成果來看，空化領(lǐng)域的相關(guān)成果最少，其研究最為困難，所得

2、成果與實(shí)際需要之間的差距也最大。造成這個現(xiàn)象的原因，在于空化現(xiàn)象本身的復(fù)雜性以及測量的困難。雖然對空化發(fā)生的機(jī)理，影響空化發(fā)展的因素以及空蝕破壞的基本規(guī)律進(jìn)行了大量的研究，也取得了相當(dāng)多的進(jìn)展，但這些研究成果基本是定性的分析或粗略的定量分析，在空化的準(zhǔn)確定量分析方面，近半個世紀(jì)以來都沒有取得突破性的進(jìn)展。隨著越來越多巨型機(jī)組的投產(chǎn)，轉(zhuǎn)輪相對強(qiáng)度的下降，空化問題已嚴(yán)重地影響著轉(zhuǎn)輪的使用壽命和機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性，其再一次引起人們的廣泛關(guān)注。

3、 一直以來，對水力機(jī)械空化問題的研究主要通過模型試驗(yàn)進(jìn)行，該方法受限于空化的比尺效應(yīng)及試驗(yàn)條件的限制，并不能準(zhǔn)確地反應(yīng)原型中空化的初生、發(fā)展及潰滅情況，存在著很大的局限性。本文采用了空化數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)、現(xiàn)場試驗(yàn)等多種研究手段，對水力機(jī)械領(lǐng)域常見的研究對象（翼型、泵和水輪機(jī)）的空化問題做了詳細(xì)地研究，力求較全面地反應(yīng)當(dāng)前水力機(jī)械空化研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)及前沿問題。這從目前已發(fā)表的國內(nèi)外研究來看尚屬首次。 論文首先對空化的基本理論

4、、空化數(shù)值模擬及空化現(xiàn)場監(jiān)測的現(xiàn)狀做了簡要地說明，詳細(xì)地論述了空化比尺效應(yīng)問題。對空化數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)做了簡要地比較，并舉例說明了空化數(shù)值模擬在生產(chǎn)的應(yīng)用。介紹了目前空化數(shù)值模擬中最為常用的兩個空化模型，空化界面自適應(yīng)模型和VOF模型，并對其做了比較，指出采用VOF模型能更合理地模擬空化現(xiàn)象。 翼型繞流是水力機(jī)械流動方式的基礎(chǔ)。本文結(jié)合翼型標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)及其試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對多種常見紊流模型在翼型空化計(jì)算上的效果做了詳細(xì)地比較。分析結(jié)果表

5、明SST模型在翼型的能量和空化數(shù)值計(jì)算上較目前其它常用的模型有著明顯的優(yōu)勢。該研究為今后水力機(jī)械空化數(shù)值模擬在紊流模型的選擇方面提供了參考。 水力機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，初生空化余量的確定一直是個難點(diǎn)。通常的辦法是通過模型空化試驗(yàn)求得臨界空化余量，在此基礎(chǔ)上在通過經(jīng)驗(yàn)系數(shù)加以修正。實(shí)際運(yùn)行表明在很多情況按該方法設(shè)定空化余量的水力機(jī)械設(shè)備空蝕情況非常嚴(yán)重。采用空化數(shù)值模擬可直觀地反映水力機(jī)械中空化的發(fā)生與發(fā)展情況，較準(zhǔn)確地判斷空化的初生余

6、量。軸流泵的空化研究表明，雖然空化數(shù)值模擬所求得的空化臨界余量較試驗(yàn)值低，但空化初生余量遠(yuǎn)大于試驗(yàn)所求得的空化初生余量。這一點(diǎn)在水力機(jī)械空化性能的合理判斷上尤為有用。 為了驗(yàn)證非定常計(jì)算能否定量地分析軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組的水力穩(wěn)定性問題，本文通過采用SST 紊流模型對同一水頭多工況下軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)進(jìn)行非定常數(shù)值模擬，并將計(jì)算所求得的尾水壓力脈動與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果進(jìn)行比較，得出數(shù)值模擬可對水力機(jī)械的實(shí)際運(yùn)行過程做定量的分析。 水力機(jī)

7、械空化研究中，間隙空化問題已經(jīng)越來越引起研究者的關(guān)注。為了避免在全流道中分析間隙空化問題所導(dǎo)致的網(wǎng)格數(shù)量急劇增加的問題，本文提出了一種間隙空化模擬的簡化方式，計(jì)算表明，該方式可以相對準(zhǔn)確地模擬間隙處的空化情況。 水輪機(jī)現(xiàn)場空化監(jiān)測一直是水電廠急需解決的問題。作者在這方面做了一些初步的嘗試，采用所開發(fā)的空化聲振信號采集系統(tǒng)對水輪機(jī)現(xiàn)場空化信號進(jìn)行采集，并對其做了分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能準(zhǔn)確地采集到空化信號。通過分析該系統(tǒng)所采集