叶顶间隙泄漏涡流及空化流场特性研究

发布时间：2019-07-16 08:19

【摘要】：叶顶间隙泄漏流是轴流式水力机械中的典型流动现象,伴随丰富的涡流运动及涡空化现象,严重影响水力机械的安全稳定运行。在旋涡与空化的相互作用下,涡空化的流动机理十分复杂。本文采用数值模拟技术,开展间隙涡流及涡空化的计算方法及流场特性研究。首先,以单一水翼为研究对象,分析了旋转与曲率修正的湍流模型对翼端间隙泄漏涡的适用性。通过与SST k-ω模型对比,修正湍流生成项的SST-CC模型可以更准确获得下游泄漏涡的速度分布,与参考实验结果吻合。获得了涡量和压力沿泄漏涡轨迹的变化规律,填补了实验中难以获得翼型附近涡流参数的空白。SST-CC模型改善了泄漏涡空化的预测效果,但未能捕捉到更远下游的空化涡区域。采用与旋转率和应变率比例相关的无量纲参数f*辨识涡旋强度,建立了 ZGB空化模型中的凝结系数与f*的定量关系,形成可识别涡强度的VIZGB空化模型,实现了对下游远场涡空化的合理预测。基于涡量输运方程,探讨了涡空化的流动机理。其次,考虑间隙流场对几何特征的敏感性,研究了翼端形状、间隙宽度和翼型厚度的影响。验证了圆角处理翼端边缘对抑制间隙分离涡的作用,新建符合转子叶顶几何特点的直角翼型,揭示了间隙分离涡的低压特征,发现分离涡导致泄漏量减少,分析了分离涡对泄漏涡的影响。获得了沿涡轨迹不同位置处的涡强度Γ*随间隙宽度τ的变化曲线,表明不同宽度下最大涡强出现的位置不同。新建符合轴流泵叶顶厚度设计的薄翼型,与原厚度翼型比较发现:当间隙绝对宽度值一定时,间隙泄漏量以及泄漏涡的轨迹和强度基本一致,分离涡在薄翼型中得到减弱。最后,以轴流式推进泵为对象开展旋转机械的叶顶间隙流场研究。在非空化条件下,采用SST-CC湍流模型的计算结果表明:随着流量增大,间隙泄漏涡的初生位置沿叶顶向下游移动,泄漏涡轨迹向叶片吸力面靠近;泄漏涡区域的压力脉动较强。在空化条件下,采用VIZGB空化模型的计算结果表明:随着空化数降低,空化泄漏涡的初生位置沿叶顶向下游移动,泄漏涡与叶片夹角保持不变;叶顶空化现象导致泄漏流量减小,叶顶楔形空化末端区域的压力脉动较强。研究了间隙宽度对叶顶涡流及空化的影响。随着间隙宽度增大,泄漏涡区域扩大,涡强增强,初生位置向下游移动,叶顶空化随泄漏涡而相应变化。定量比较叶顶和叶片表面空泡体积随空化数的变化,发现间隙宽度主要影响叶顶空化区,而该区域的增加是导致较宽间隙下泵的临界空化系数增加以及性能陡降的关键因素。本文取得的研究成果,为合理预测间隙涡流及涡空化奠定了基础,对于间隙涡流及其空化影响下的轴流式水力机械特性研究具有指导意义。
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图片说明： 夫＝ｍａｘ邋｛ｍｉｎ邋（／［。。，，uQ，１．２５），0｝逦（２－３３邋）逡逑通过将ＳＳＴ模型中４和？输运方程的生成项巧修正为巧？NB，其中逡逑ｙ；．邋＝邋ｍａｘ［０，ｌ邋＋邋Ｃｓ邋础（／ｒ－１）］逦（２－３４）逡逑式中Ｇｕｉｅ是比例系数，默认值为１。ＳＳＴ－ＣＣ模型在ＡＮＳＹＳＣＦＸ软件中可直接调用，类似的旋逡逑转曲率修正方法也可用于软件中的其它锅粘模型。逡逑２．４翼端间隙流场算例逡逑２．４．１计算模型及边界条件逡逑参考Ｄｒｅｙｅｒ的水翼实验ｆｉ？，水槽具有边长为１５０ｍｍ的方形过流截面，，长度为７州ｍｍ。水逡逑翼截面为ＮＡＣＡ０００９翼型，翼型弦长ｃ＝１００ｍｍ，最大厚度＆？＾＝９．９１１？，展向总长６＝１５０ｍｍ。逡逑实验中水翼侧端面与水槽壁面之间存在间隙，其竞度值Ｗ与翼型最大厚度、。、作比值，得到无量逡逑纲的间隙宽度，记作ｒ，实验中ｒ值介于０」￣２之间。根据实验模型的几何参数建立数值模拟的逡逑计算域，如图２－１所示。坐标系中的Ｚ轴表示来流方向，翼型弦长中点位于ｚ邋＝邋０处，不同流向位逡逑置通过Ｚ坐标与弦长比值ｚ／ｃ的大小来确定。Ｘ轴表示水翼的展向方向。逡逑逦：逡逑
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图片说明： 中国农业大学博±学位论文逦第－章无空化间隙流场数值计算模型研巧逡逑成，采用稳态计算，其收敛判据为ＲＭＳ达到１0－６。参考实验的公开数据作为验证本文数值模拟逡逑计算的依据，实验方法及图片结果主要来自引用的参考文献［１０２巧Ｐ口８］，另外，文献口８］在相关逡逑网页提供了实验的补充数据ＭＷ，包括无空化条件下游流向截面上的速度信息Ｗ及空化泄漏祸的录逡逑像文件。逡逑２．４．２网格划分及验证逡逑采用ＩＣＥＭ软件，对计算域进行六面体结构网格划分，网格区域分块结构如图２－２邋（ａ）所示。逡逑根据参考实验对间隙泄漏满流场的测试范围，近似对应下游２倍弦长Ｃ内的５０ｍｍ邋Ｘ邋５０ｍｍ流向截逡逑面区域，对图中ｊｃ，ｘｊ；，ｘｚ，范围进行网格加密，其中最大网格尺寸不超过实验所用的０．６ｍｍ离散逡逑精度。对翼端附近进行局部网格加密，如图２－２邋（ｂ）所示。逡逑
【学位授予单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TK72

【参考文献】

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本文编号：2514955