非線性空化模型在水力機(jī)械空化數(shù)值計(jì)算中的應(yīng)用.pdf

1、本文是在國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“水力機(jī)械空化特性及對策”（51239005）、國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“大功率灌排泵的研制與開發(fā)”（2015BAD20B01）和江蘇省博士創(chuàng)新計(jì)劃“余熱排出泵內(nèi)部空化流動特性研究”（KYLX_1040）的資助下開展工作的。
　　空化是一種涉及相變和多尺度湍流的復(fù)雜多相流，對帶有扭曲葉片的旋轉(zhuǎn)式水力機(jī)械，其內(nèi)部空化問題一直是該領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。發(fā)生在水力機(jī)械內(nèi)的大尺度云空化潰滅通常會導(dǎo)致一些負(fù)

2、面效果，如振動噪聲、性能下降，甚至材料表面破壞。利用數(shù)值求解粘性流體力學(xué)控制方程模擬空泡流動是空化研究方法發(fā)展的主要趨勢，改進(jìn)和發(fā)展利用空泡流動數(shù)值模擬技術(shù)改善水力機(jī)械性能是一個極具挑戰(zhàn)的突破點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)，對縮短新產(chǎn)品開發(fā)與實(shí)驗(yàn)周期及減少不必要的資源浪費(fèi)具有重要意義。
　　本文在構(gòu)建一種空泡半徑非線性變化的空化模型基礎(chǔ)上，對繞二維水翼、繞三維扭曲水翼及復(fù)雜結(jié)構(gòu)軸流泵內(nèi)的非穩(wěn)定空化流動進(jìn)行了數(shù)值研究。本文的主要工作和創(chuàng)新性成果有：

3、r>　　1．總結(jié)了空化流動國內(nèi)外研究現(xiàn)狀并介紹了空化流動基本理論，重點(diǎn)對空化模型、湍流模型及球形空泡動力學(xué)模型進(jìn)行了詳細(xì)分類和闡述。
　　2．首次基于液相、空泡相及不可凝結(jié)氣體的三種組分的連續(xù)性方程及均相流假設(shè)建立了一種適用于水力機(jī)械內(nèi)的非線性空化模型，并聯(lián)立修正的濾波器湍流模型對該非線性模型中的四個重要的模型參數(shù)作適用性研究。研究結(jié)果表明，不可凝結(jié)氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)和湍流脈動壓力對空化流場的計(jì)算有著十分重要的影響。經(jīng)比較，較為理想的不

4、可凝結(jié)氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)、單位體積內(nèi)的空化核數(shù)量及空泡的初始半徑均分別為 fg=1.5×10-6、 N0=1.0×1013 m-3和R0=1μm，湍流脈動效應(yīng)通過對臨界空化壓力值進(jìn)行修正體現(xiàn)。
　　3．分別采用非線性模型和Schnerr-Sauer模型對三種典型空化數(shù)條件下的繞二維Clark-Y水翼非定常空化流場進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算?；诜蔷€性空化模型的計(jì)算結(jié)果，分別對云空化流場中的翼型前緣片狀空穴斷裂和尾緣處大尺度空泡團(tuán)脫落原因、升力系數(shù)脈

5、動機(jī)理及修正湍流粘度系數(shù)法對空化流場數(shù)值計(jì)算的影響進(jìn)行了分析和討論。研究結(jié)果表明，非線性模型對不同空化數(shù)條件下空化流場內(nèi)一些細(xì)節(jié)的捕捉能力要優(yōu)于Schnerr-Sauer模型；云空化階段翼型前緣處片狀空穴的斷裂是由回射流與主流相互作用所形成的旋渦結(jié)構(gòu)直接沖斷所造成，尾緣處大尺度空泡團(tuán)脫落是由翼型尾緣吸力面及壓力面處的主流與回射流形成了一對旋向相反的旋渦共同作用造成，回射流是產(chǎn)生云狀空化不穩(wěn)定性特征的根源；云狀空化階段，瞬時升力系數(shù)出現(xiàn)了

6、突然跳躍性變化且這種突然跳躍通常伴隨著空穴的脫落或潰滅過程。
　　4．分別采用非線性模型和Schnerr-Sauer模型對空化數(shù)σ=1.07條件下的繞三維Delft Twist-11扭曲型水翼非定?？栈鲌鲞M(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。基于非線性模型的計(jì)算結(jié)果對三維效應(yīng)下空化流場內(nèi)的回射流結(jié)構(gòu)、馬蹄狀空穴的形成及空化-旋渦的交互作用機(jī)理進(jìn)行了分析和討論。研究結(jié)果表明，非線性模型預(yù)測結(jié)果基本能夠捕捉到翼型前緣片狀空穴的增長與斷裂及尾緣處云狀空穴的

7、形成和潰滅的周期性演化過程；主空穴發(fā)生斷裂主要是由存在于閉合空穴兩側(cè)的側(cè)向射流所引起的，流動方向與主流平行的回射流的作用相對較??；馬蹄狀空穴是由翼型中部的主脫落空穴發(fā)展而來且其收縮和潰滅伴隨著復(fù)雜的旋渦結(jié)構(gòu)的形成和發(fā)展；由流體粘性造成的旋渦擴(kuò)散效應(yīng)所產(chǎn)生的渦量隨體變化極小，流體微團(tuán)形變率是渦量產(chǎn)生隨體變化的最主要因素，斜壓矩僅對空穴潰滅區(qū)域內(nèi)渦量的形成產(chǎn)生一定影響。
　　5．通過加載非線性模型及Schnerr-Sauer模型對0.

8、8QBEP、1.0 QBEP和1.2 QBEP三種工況軸流泵的空化性能進(jìn)行預(yù)測并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果作對比，基于非線性模型的數(shù)值計(jì)算結(jié)果對1.0QBEP工況下軸流泵葉輪內(nèi)的兩種主要類型空化進(jìn)行了分析和討論，并對軸流泵葉輪內(nèi)的非定常空化特性進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，在1.0 QBEP和1.2 QBEP兩個工況，非線性模型所預(yù)測到的臨界裝置空化余量與實(shí)驗(yàn)測量值之間的相對誤差均在10％以內(nèi)；軸流泵葉頂間隙附近的空化類型主要包括葉頂間隙內(nèi)附著空化、葉頂泄