攻角与泥沙对水翼空化影响的数值模拟研究
发布时间：2021-02-18 02:46
我国河流泥沙含量较高,水力机械常受到水沙联合作用的空蚀影响,使水力机械的效率降低,寿命减少,空化和空蚀是损伤机械寿命的重要原因,因此探究空化与空蚀条件下,水力机械的内部流动特性具有重要的意义与价值。本文对一个对称的缩小水翼模型在两种不同的攻角条件下,分别的计算了清水与含沙水流两情况下的空化现象,同时分析了攻角以及泥沙对空化性能的影响。本论文的主要研究内容与研究结论如下:（1）查阅文献、收集资料。总结过往研究中,学者对空化模型的研究,以及多相流模拟的研究方法。（2）使用UG软件对水翼模型进行建模,同时将水翼以3°和9°两种角度放置于与所对应实验数据相同的流场中,分别进行网格划分和无关性检验。（3）采用了一种完整空化模型和均匀混合两相流模型互相结合的模型进行空化模拟,分析了空化数、空化现象、压力、流速等,并与实验结果相对比,发现空化发生位置往往与低压区相对应,且空化数越小,空化越剧烈,同时流速波动越大。在同条件下,大攻角的空化性能差于小攻角。（4）对含沙水流进行三相流模拟,在与清水空化同工况的条件下,获得了空化现象、压力、流速等变化规律,发现含沙水流的空化剧烈程度比清水空化更加严重,且大攻...
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
空化与沸腾的不同Fig.1-1Thedifferencebetweencavitationandboiling由于在流体机械当中产生的空化现象会导致机械部件的损伤、也经常导致机械水力
西安理工大学硕士学位论文10图1-2气-液-固三相之间动量传递封闭模型Fig.1-2Closedmodelofmomentumtransferbetweengasliquidsolidthree-phases在一些文献中，对气-液-固三相浆态床进行CFD模拟时，通常利用二维的稳态模拟。严格的说，三相浆态鼓泡塔内的流动是非定常流动，在不同时间和空间尺度上，内部流动过程通常发生，非稳态流体动力学行为由于设计和操作参数（如反应器和分布器的设计、气体流量和固含率等）的影响，与此同时也控制着反应器内混合和输运过程，因此，在对实际装置进行仿真时，建议采用三维模拟仿真。由于气液固三相模拟的复杂性，有必要根据研究对象和具体问题，选择合适的方法。1.3研究内容与技术路线1.3.1研究内容本文针对目前对多相流动研究的不足之处，将水翼模型以不同角度放置于水洞中，对其进行多相流动的研究，分别进行清水空化以及含沙空化的数值计算。本文的主要研究内容如下：（1）本文以某试验空化结果为基础，对试验模型水翼进行三维建模，将水翼模型以3°和9°放置于某试验台水洞中，采用非结构化网格对其进行网格划分。（2）对水翼在清水条件下进行数值计算，以清水计算结果作为清水空化的初场，并分析空化发生的位置，空化条件对空化的影响，以及流场的压力变化等。（3）将数值模拟的结果与试验结果进行比较，验证所使用空化模型的准确性。采用的空化模型为一种完整空化模型和均匀混合两相流模型互相结合的模型，湍流模型为RNGk-ε模型。（4）使用三相流模型对含沙水流进行空化数值模拟研究，研究磨蚀与空化联合作用对水翼空化的影响，并于清水条件下的空化结果进行对比，判断沙粒对空化的影响。
2数值模拟方法及计算方式19性。混合物模型顾名思义就是讲流体整体考虑成一种连续介质，该介质中各物质之间相互融合贯穿，有各自的运动速度。混合物模型的计算方式相对简单，但相比于欧拉模型，它更倾向于模拟一些简单的多相流，而欧拉模型的普适性更高，能够模拟更加复杂的多项流动，而且欧拉模型的计算精度也更高，但混合模型的优势是能够模拟没有清晰分界面的颗粒相流动。在一些情况下，混合模型也能取得与欧拉模型相似的模拟结果，但是它求解的变量要少于欧拉模型。同时，混合模型无法使用耦合求解器、大涡模拟模型和二阶隐式时间步进公式等。2.4本文模型与网格划分2.4.1本文模型本文用于研究流动分析的模型是一个用于高压水轮机的具有对称横截面的导叶的缩小模型。模型是二维对称水翼，由黄铜制成，表面粗糙度为1.5μm。弦长C为100毫米。最大宽度是Hmax=0.2149C，在距前缘Xmax=0.4283C处测量.GV曲线构造为表2-1中给出的点的三次样条近似。表2-1.水翼模型H沿其弦的不同位置的厚度Tab.2-1ThicknessofhydrofoilmodelHatdifferentpositionsalongitschordx/C00.10.20.30.40.50.60.70.80.91H/C00.130.17690.20510.21440.21020.18640.14610.0980.04950如图2-1所示导叶的缩小模型，其弦长为100mm，且最大厚度为21.49mm，厚度最大处距离前缘42.83mm。图2-1水翼缩小模型Fig.2-1Hydrofoilreductionmodel2.4.2网格生成技术网格划分是流体力学分析的基础，是数值模拟最重要的步骤。网格质量直接影响数值模拟的结果。网格生成方法是决定网格质量的重要因素。
本文编号：3038920
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
空化与沸腾的不同Fig.1-1Thedifferencebetweencavitationandboiling由于在流体机械当中产生的空化现象会导致机械部件的损伤、也经常导致机械水力
西安理工大学硕士学位论文10图1-2气-液-固三相之间动量传递封闭模型Fig.1-2Closedmodelofmomentumtransferbetweengasliquidsolidthree-phases在一些文献中，对气-液-固三相浆态床进行CFD模拟时，通常利用二维的稳态模拟。严格的说，三相浆态鼓泡塔内的流动是非定常流动，在不同时间和空间尺度上，内部流动过程通常发生，非稳态流体动力学行为由于设计和操作参数（如反应器和分布器的设计、气体流量和固含率等）的影响，与此同时也控制着反应器内混合和输运过程，因此，在对实际装置进行仿真时，建议采用三维模拟仿真。由于气液固三相模拟的复杂性，有必要根据研究对象和具体问题，选择合适的方法。1.3研究内容与技术路线1.3.1研究内容本文针对目前对多相流动研究的不足之处，将水翼模型以不同角度放置于水洞中，对其进行多相流动的研究，分别进行清水空化以及含沙空化的数值计算。本文的主要研究内容如下：（1）本文以某试验空化结果为基础，对试验模型水翼进行三维建模，将水翼模型以3°和9°放置于某试验台水洞中，采用非结构化网格对其进行网格划分。（2）对水翼在清水条件下进行数值计算，以清水计算结果作为清水空化的初场，并分析空化发生的位置，空化条件对空化的影响，以及流场的压力变化等。（3）将数值模拟的结果与试验结果进行比较，验证所使用空化模型的准确性。采用的空化模型为一种完整空化模型和均匀混合两相流模型互相结合的模型，湍流模型为RNGk-ε模型。（4）使用三相流模型对含沙水流进行空化数值模拟研究，研究磨蚀与空化联合作用对水翼空化的影响，并于清水条件下的空化结果进行对比，判断沙粒对空化的影响。
2数值模拟方法及计算方式19性。混合物模型顾名思义就是讲流体整体考虑成一种连续介质，该介质中各物质之间相互融合贯穿，有各自的运动速度。混合物模型的计算方式相对简单，但相比于欧拉模型，它更倾向于模拟一些简单的多相流，而欧拉模型的普适性更高，能够模拟更加复杂的多项流动，而且欧拉模型的计算精度也更高，但混合模型的优势是能够模拟没有清晰分界面的颗粒相流动。在一些情况下，混合模型也能取得与欧拉模型相似的模拟结果，但是它求解的变量要少于欧拉模型。同时，混合模型无法使用耦合求解器、大涡模拟模型和二阶隐式时间步进公式等。2.4本文模型与网格划分2.4.1本文模型本文用于研究流动分析的模型是一个用于高压水轮机的具有对称横截面的导叶的缩小模型。模型是二维对称水翼，由黄铜制成，表面粗糙度为1.5μm。弦长C为100毫米。最大宽度是Hmax=0.2149C，在距前缘Xmax=0.4283C处测量.GV曲线构造为表2-1中给出的点的三次样条近似。表2-1.水翼模型H沿其弦的不同位置的厚度Tab.2-1ThicknessofhydrofoilmodelHatdifferentpositionsalongitschordx/C00.10.20.30.40.50.60.70.80.91H/C00.130.17690.20510.21440.21020.18640.14610.0980.04950如图2-1所示导叶的缩小模型，其弦长为100mm，且最大厚度为21.49mm，厚度最大处距离前缘42.83mm。图2-1水翼缩小模型Fig.2-1Hydrofoilreductionmodel2.4.2网格生成技术网格划分是流体力学分析的基础，是数值模拟最重要的步骤。网格质量直接影响数值模拟的结果。网格生成方法是决定网格质量的重要因素。
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