《軸流泵葉頂泄漏渦的空化機理研究》是依託江蘇大學，由張德勝擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：軸流泵葉頂泄漏渦的空化機理研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：張德勝
- 依託單位：江蘇大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
軸流泵轉輪葉頂泄漏渦空蝕是南水北調工程和國防裝備急需解決的難題之一，研究葉頂泄漏渦的空化機理是解決該問題的基礎研究。本項目以全透明軸流泵模型為研究對象，對轉輪葉頂非定常泄漏渦的流動結構及其誘導空化機理進行研究。具體內容包括：建立基於k-ε SST湍流模型的DES方法和Singhal空化模型，並通過實驗對湍流模型中的參數進行標定；基於非定常數值模擬、3D-PIV和高速攝影測量，分析泄漏渦的卷吸過程、渦心運動軌跡，研究葉頂斷面形狀和間隙大小對泄漏空化渦帶結構的影響，闡明間隙區靜壓、湍動能、渦量場與空泡分布的關聯性；探討不同葉頂結構對空化渦帶近壁區壓力脈動特性的影響規律，並在數值計算和實驗研究基礎上，提出控制或減弱葉頂泄漏渦空化的途徑和方法。本項目旨在揭示葉頂泄漏渦的渦核低壓區誘導空化機理，掌握軸流泵葉頂斷面形狀和間隙大小對泄漏空化渦帶結構的影響規律，為有效控制或減弱葉頂泄漏渦空蝕提供理論基礎。
結題摘要
本項目以比轉速為700的軸流泵模型泵為研究對象，基於數值模擬和試驗研究並重的研究方法，系統研究了軸流泵葉頂泄漏渦形成在過程、流動結構以及渦空化特性，研究的主要內容及成果如下： （1）基於格線無關性和邊界層精細化流場，分析了格線拓撲結構和格線數對葉頂區邊界層及葉頂泄漏渦流動結構的影響，毫米級間隙區採用了高密度結構化格線處理，保證壁面y+值小於50。採用Standard k-ε, RNG k-ε，k-ω和SST k-ω四種湍流模型對軸流泵端壁區全流道進行了三維湍流場數值模擬，計算結果表明，SST k-ω湍可準確預測具有逆壓梯度的軸流泵葉頂泄漏流的流場結構。 （2）針對三種葉頂間隙的軸流泵，分別進行了全流道多工況數值模擬，探究在不同流量工況以及不同葉頂間隙大小條件下，軸流泵葉頂間隙泄漏流的流場結構特性。數值模擬結果表明，隨著流量的增大，葉頂間隙泄漏流的渦核跡線起點由葉片前端逐漸往葉片後緣移動，且往翼型中部移動；隨著葉頂間隙的增大，軸流泵的揚程逐漸下降，頂泄漏渦的渦核運動軌跡線由葉片前端往葉片後緣移動。 （3）基於均相流空化模型，對軸流泵模型泵在不同流量工況分別進行空化流場計算，分析了軸流泵葉頂泄漏渦的渦核低壓區誘導空化特性。揭示了葉輪區域空化的初生和發展過程，探究了不同圓柱截面上的空化面積以及葉輪出口軸向速度隨著葉輪半徑的變化規律，並比較了不同空化數工況下葉片表面壓力分布特性。數值模擬結果表明，當空化初生時，葉片進口邊靠近輪緣處首先形成局部微小颳起渦，葉片輪緣以及間隙區域形成附著空化和葉頂泄漏渦空化，此時不同圓柱截面空化面積較小，空化區主要在靠近間隙區域，隨著空化數逐漸降低，葉片外緣附近空化逐漸嚴重，且沿徑嚮往葉片背面擴展至整個葉片背面，不同圓柱截面的空化面積逐漸增大，葉頂泄漏渦空化流場引起葉輪出口間隙區域軸向速度逐漸降低。 （4）基於數值模擬和高速攝影試驗，分析了不同葉頂間隙工況下軸流泵端壁區空化流場、葉頂泄漏渦帶以及渦核運動軌跡線的分布特性，計算結果表明，隨著葉頂間隙的增大，軸流泵的臨界空化數逐漸增大，且葉片輪緣靠近間隙圓柱面的空化逐漸嚴重且往葉片尾部移動，同時間隙泄漏流增加。在葉片空化初生時，葉輪在間隙區出現輕微的間隙泄漏空化和葉頂泄漏渦空化；隨著空化數的逐漸降低，間隙泄漏空化和葉頂泄漏渦空化的區域逐漸增加，且較為嚴重，空泡在葉片後部產生爆破。
