混流泵及水翼加速流工况瞬态空化特性的数值模拟与实验研究

发布时间：2017-12-23 10:03

本文关键词：混流泵及水翼加速流工况瞬态空化特性的数值模拟与实验研究　出处：《江苏大学》2016年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：混流泵具有流量大、扬程高、高效区范围宽等优点,广泛应用于农业灌溉、市政给排水、电厂循环水等国民经济领域。混流泵瞬态空化是潜艇武器发射装置急需解决的难题之一,研究加速流工况瞬态流场特性和空化形态是解决该问题的基础。在密闭的液压系统中,混流泵快速启动产生高强度水压,推动鱼雷加速出仓,发射武器。在这一过程中涉及到启动过程,启动过程与稳态过程相比具有很大的差异,因为启动过程涉及到很多参数,同时这些参数是随着时间发生变化,具有很强的不确定性。当液压舱中压力不足时,启动过程中就可能会出现空化,影响发射过程,同时水泵内部由于空化产生的振动与噪声更容易被雷达测探出,安全性降低。因此研究启动过程中的瞬态空化特性具有很好的意义,可以为我国国防装备领域混流泵“高速化、大型化”发展提供理论基础和技术保障。本文在国家自然科学基金“混流泵加速流工况瞬态空化形态及其诱导水力振荡特性研究(51579118)”的资助下,主要对水翼和高比转速混流泵进行研究。首先对水翼加速流工况进行了数值模拟,采用NACA0015模型对加速流工况下的DES湍流模型进行验证,然后选用NACA66(mod)模型进行了非定常空化特性的模拟验证。最后采用NACA66(mod)的二维模型对其进行了3种不同加速流工况下空化特性的数值模拟。具体分析了3种不同加速度下(a1=5m/s2、a2=2.5m/s2、a3=1m/s2)空化的发展过程及规律、速度场的变化规律、翼型升阻力特性和内部空泡体积分数的变化规律。然后对混流泵外特性、空化性能和启动过程进行了多次重复性实验研究,分析了启动过程的瞬态规律和空化机理。主要研究工作及取得的成果如下:(1)分离涡湍流模型(DES)和基于Rayleigh-Plesset方程的Zwart空化模型可以较好地预测绕水翼加速流下空化情况。在加速启动过程中,空泡首先在翼型的前缘产生,经过一段时间后发展壮大,然后在翼型尾翼处分离,前缘处空泡减少,尾翼处空泡增加并向后衍生,直至破裂。不同加速情况下,空化都首先产生于总加速时间的0.6倍左右,在总加速时间的1.12倍左右结束第一个周期。翼型前缘小型旋涡是由主流和回射流共同作用而产生的,尾翼顺时针方向大型旋涡是由强烈的回射流作用而产生的。同时随着时间的推移,翼型前缘处旋涡消失,尾翼处旋涡增强。不同加速度下翼型升、阻力系数的变化趋势是一致的,开始先从一个较大的值快速下降到较小值,然后平稳过渡到稳定点,并且在该点左右达到了极大值,随后成周期性振荡走势来回波动。加速度越大,升力和阻力的振荡范围越小,同时振荡也越平稳,没有出现小加速度时升力和阻力的突升和突降现象。(2)通过外特性实验获得了模型泵最高效率点所对应的流量在433m3/h左右,扬程为3.22m,效率为75.948%。通过空化实验得到汽蚀余量NPSHr是稳定扬程的3%即为2.9m。在进行启动实验时,通过变频器控制启动时间,进而得到不同的启动加速度,从而获得启动过程的外特性实验。本次启动实验做了1.1Q、1.05Q、1.0Q、0.9Q和0.8Q五组实验,在五组不同流量实验中,每组各选取了10s、15s和20s三种不同的启动加速度。通过拍摄启动到稳态过程的30s时间,来获得启动过程的外特性。通过分析发现,同组流量工况下,启动时间越短,流量、转速和扬程达到稳定点所需时间越长,滞后现象越明显,大约滞后2s左右。在大流量工况下,启动时间越长,扬程开始上升的时间点越滞后。大流量工况相比于小流量工况,启动开始阶段,扬程的滞后更加明显。在小流量工况下,启动开始阶段扬程没有出现滞后,转速也基本没有出现滞后,而流量在不同加速时间工况下都出现了滞后现象,大约2s左右。(3)对混流泵启动过程的空化特性进行实验,研究了0.8Q、0.9Q、1.0Q和1.05Q四种工况下10s、15s和20s启动时间下空化现象。通过高速数码摄像技术,对其空化现象进行拍摄,总共拍摄了25s启动过程。在启动空化实验过程中,开始阶段由于速度小,压力没有达到汽化压力,没有出现空化现象,当启动时间达到稳定点后在叶轮叶顶处出现了空泡,随后在叶轮流道内出现空泡,产生很严重的空化。在相同流量下进口压力越小(空化数越小),空化发生的越严重。在-20k Pa时,空泡在叶轮叶顶附近聚集,流道内基本没有空泡。而当进口压力降为-60k Pa时,空泡几乎充满了叶轮流道,空化非常严重。同时还可以发现在相同进口压力情况下,不同流量下的空化程度基本相同,区别性不是很大。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH313

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