軸流泵葉頂泄漏渦雲狀空化脫落機理與不穩定性控制

《軸流泵葉頂泄漏渦雲狀空化脫落機理與不穩定性控制》是依託江蘇大學，由張德勝擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：軸流泵葉頂泄漏渦雲狀空化脫落機理與不穩定性控制
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：張德勝
• 依託單位：江蘇大學

項目摘要

軸流泵空化不穩定性問題是大型調水工程和國防裝備急需解決的難題之一，研究葉頂泄漏渦雲狀空化脫落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，採用數值模擬、3D-PIV、高速攝影、壓力脈動、葉輪動態力測量等實驗手段開展研究。主要研究內容有：1、探明葉頂泄漏渦和剪下層空穴形態產生機理，分析葉頂泄漏渦空化雲的三維結構及其時空演化規律，掌握葉頂泄漏渦的壓力場、渦量場、剪下應力、渦耗散、湍動能及其生成速率等湍流特性，揭示雲狀空化的脫落過程與非定常渦結構的關聯特性。2、基於可視化實驗，分析雲狀空化的生長、發展與潰滅過程，闡明空化雲誘導泵流量和壓力的振盪特性,揭示不穩定空化雲誘導葉片載荷突降、壓力面流動分離及失穩機理。3、掌握葉頂泄漏渦雲狀空化的周期性脫落頻率特性，繪製軸流泵空化不穩定性圖譜，並提出不穩定空化雲的主動控制方法。本項目預期成果，將為軸流泵機組的設計和穩定運行提供理論基礎。

結題摘要

軸流泵在南水北調工程、大中型泵站中具有廣泛的套用。由於輪緣與轉輪室之間不可避免地存在葉頂間隙，在葉片壓力面（PS）和吸力面（SS）的壓差驅動下，葉頂間隙內將產生泄漏流（Tip leakage flow）,其與主流卷吸形成葉頂泄漏渦（Tip leakage vortex, TLV）。軸流泵葉頂空化不穩定性問題是大型調水工程和國防裝備急需解決的難題之一，研究葉頂泄漏渦雲狀空化脫落機理是解決該問題的基礎研究。本項目以水翼和軸流泵模型為研究對象，採用數值模擬、3D-PIV、高速攝影、壓力脈動測量等實驗手段開展研究。主要研究成果如下： （1）選用不同水翼進行湍流模型和空化模型驗算。針對水翼表面片狀空化生長、空化雲聚集、脫落和潰滅等瞬態過程，對比分析了實驗數據與模擬結果，驗證了湍流模型和空化模型的適用性。 （2）基於不同湍流模型，對軸流泵葉頂雲狀空化進行非定常數值模擬，結合3D-PIV實驗研究，分析了葉頂泄漏渦和剪下層空化形態與生成機理，探究了葉頂泄漏渦空化雲三維結構及其時空演化規律，掌握葉頂泄漏渦的壓力場、渦量場、剪下應力、渦耗散、湍動能等湍流特性，進一步研究了雲狀空化尾緣脫落與附著片狀空化的相干機制。 （3）基於高速攝影、壓力脈動測量和非定常空化流數值模擬，觀察了不同運行工況下葉頂泄漏渦空化雲生成、發展及潰滅過程，分析了不穩定雲狀空化誘導的系統流量壓力振盪特性。針對葉頂泄漏渦雲狀空化時空演化過程，分析了空化雲脫落和潰滅周期，解釋了不穩定空化雲對主流和相鄰葉片壓力面流場擾動的物理過程，從而掌握雲狀空化及其誘導渦引起的堵塞流道、流動失穩機理。 （4）基於不同工況數值模擬和內流試驗，提出了不同葉片數、不同葉頂形狀和間隙大小等葉輪方案。分析了不同方案葉輪的雲狀空化不穩定振盪特性，根據葉頂泄漏渦及其誘導空化的強度、尺度及發展規律，評價了不同葉輪方案對不穩定葉頂泄漏渦雲狀空化的抑制效果。為軸流泵機組的設計和穩定運行提供理論基礎。