沙粒粒径与含量对水翼和离心泵瞬态空化影响的研究

发布时间：2020-07-14 10:15

【摘要】：空化现象常存在于各种水动力系统当中,如泵、水轮机、螺旋桨、水翼、水下潜体等。空化流问题涉及多相流、湍流、可压缩和超音速等复杂的流动现象,它能引起机器性能下降、机组运行的稳定性、机器振动、噪声、空蚀和磨蚀等一系列问题。我国的大部分河流含有泥沙,沙粒的存在使得空化的发生几率大大增加,且含沙水时的瞬态空化流动诱发的压力脉动,使得水力机械的振动、噪声、空蚀问题大大加剧。因此亟待对含沙水时水力机械内的非定常空化流进行研究,为解决在含沙水条件下运行的水力机械内的空化空蚀问题提供一定的参考。本文对二维NACA0015水翼和离心泵的清水及含沙水的瞬态空化流动进行数值模拟,以探究沙粒粒径和含量对水翼和离心泵瞬态空化性能的影响。主要研究内容及结果如下:以二维NACA0015水翼为研究对象,基于Schnerr-Sauer空化模型、RNG k-ε湍流模型、Mixture模型,分别对水翼进行清水和含沙水时非定常空化的数值模拟,所用沙粒粒径分别为0.01mm、0.05mm、0.15mm,含沙量分别为5%、10%、20%,结果表明:当含沙量为10%,粒径分别为0.01mm、0.05mm、0.15mm时,相比清水含沙时升阻力系数曲线脉动幅度明显强烈,平均升力系数明显降低,随粒径的增大,平均升力系数逐渐增大,升阻比先升高后降低,均小于清水的升阻比。清水时空泡脱落频率为20Hz,粒径为0.01mm、0.05mm、0.15mm时频率分别为16.7Hz,16.7Hz,20Hz,随沙粒粒径的增大,相应的斯特劳哈尔数先降低后升高。当粒径为0.05mm,含沙量分别为5%、10%、20%时,含沙时的周期性振荡则更加强烈,随含沙量的增加,升阻比逐渐降低;随沙粒含量的增大,空泡脱落频率逐渐变小,斯特劳哈数逐渐降低。以某离心泵为研究对象,采用Zwart-Gerber-Belamri空化模型和SST k-ω湍流模型,分别对其进行清水和含沙水介质时瞬态空化的数值计算,所取沙粒粒径分别为0.005mm、0.025mm、0.05mm,沙粒含量选择了1%、5%、10%,数值模拟结果表明:当含沙量为5%,粒径分别为0.005mm、0.025mm、0.05mm时,空化充分发展时,一个完整周期内含沙时空泡体积均大于清水时的空泡体积,清水时空泡持续衰减,含沙时空泡均呈现出先衰减后增长再衰减的趋势,空泡衰减速度均高于清水时空泡的衰减速度。不同粒径时,各点振幅基本随频率增大而减小,压力脉动的主频均为叶频,各监测点主频幅值最大的点为隔舌处,其次为靠近叶轮出口的点;空化数降低时,各监测点压力脉动幅值急剧上升。当粒径为0.25mm,含沙量分别为1%、5%、10%时,空化初生时,当含量为5%时空泡体积变化速度较为稳定,空泡体积增减趋势与清水时基本一致,含量为1%和10%的空泡体积变化趋势一致。空化充分发展时,叶轮出口的局部旋涡较严重。扬程随含沙量的增大逐渐降低。在整个周期内,含沙量越高,空泡体积的增长衰减越剧烈。不同含沙量时,各监测点的压力脉动主要集中在1500Hz以下的低频区,靠近叶轮流道中间处和出口的点,主频倍数频率衰减较慢。含沙时叶轮出口处和蜗壳隔舌处的点的压力脉动主频幅值均比清水时低;随空化数的减小,各监测点处的压力脉动强度增大,叶频处脉动幅值增加的最为明显。
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH311

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