非线性空泡模型在轴流泵空化模拟中的评估分析

发布时间：2020-10-13 03:25

　　 为了提高传统空化模型预测轴流泵空化特性的能力,提出了一种基于非线性Rayleigh-Plesset方程的空泡动力学模型,联立两相-3种组分的均相流假设,建立了一种非线性空化模型。分别采用非线性模型及传统的Schnerr-Sauer模型对比转速n_s=692的轴流泵叶轮内空化流动进行数值计算。研究发现:非线性模型预测的轴流泵空化性能曲线与实验测量值吻合更好,叶顶间隙内附着型空化长度随着空化数的降低呈现先缓慢增长后迅速增长的规律;当轴流泵叶片吸力面发生严重空化时,空化区域的后部靠近轮毂的位置空泡体积分数发生了急剧变化,该处最容易发生空蚀破坏。
【部分图文】：

不同数量网格下计算扬程变化

为了对比2种不同空泡动力学模型对空泡半径变化的差异,利用MATLAB软件,采用4-5阶RUNGE-KUTTA算法分别对式(1)和(2)进行求解,采用的初始条件如下:空泡初始半径R0=4.0 μm、液相表面张力系数S=0.073 N/m、驱动项pv(t)-p∞(t)=105 Pa。计算可以得到该空化核流过低压区时R(t)一阶导数的一个典型解如图1所示,从图中可以看到,线性R-P方程预测的空泡半径增长率为一恒定值,且当空泡半径小于30 μm时,非线性R-P方程预测的空泡半径增长率大于线性R-P方程计算的结果。由此可见,线性R-P方程在空泡初生阶段(R<30 μm)会过小预测空泡半径的增长速度。基于两相-3种组分的均相流模型及非线性空泡模型,建立了一种非线性R-P空化模型,该空化模型考虑了不可凝结气体、湍流脉动压力对空化初生的影响。相变率推导详细过程,以及模型系数无关性分析参见文献[9],相变率基本方程组为:

该模型轴流泵空化特性测试在江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心完成,按照回转动力泵水力性能验收试验标准GB/T3216-2005进行模型泵性能测试,工作介质为常温清水,试验装置简图如图5所示。图6示出0.8 QBEP,1.0 QBEP和1.2 QBEP 3种工况下不同空化模型计算得到的空化性能曲线和临界空化余量(扬程下降3%),与相应试验测量值的对比,其中计算扬程均为时均化后的结果,计算总时间为0.33 s。
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