轴流泵叶轮叶顶区空化特性试验分析

为了研究叶顶区空化特性,以某一模型轴流泵为研究对象,利用高速摄影试验,探讨不同叶片数下泵的水力性能和空化性能、不同流量下的叶顶泄漏涡轨迹、不同空化数下的叶顶空化形态以及叶顶区空化发展瞬态特性.试验结果表明,适当增加叶片数,泵的水力性能和空化性会更好;在小流量工况下,叶顶更易发生空化初生;随着流量的增大,叶顶泄漏涡轨迹与叶片吸力面的夹角逐渐减小,同时泄漏涡初生点逐渐向叶顶尾缘移动;在叶顶三角形云状空化尾缘产生云状空化涡,受到叶顶泄漏涡的卷吸,与叶顶泄漏涡涡带尾缘脱落的空化涡相互作用混合,沿着几乎垂直叶片的方向向相邻叶片的压力面移动,造成了流道的堵塞,降低了泵的水力性能.垂直云状空化涡堵塞流道,引起叶顶区流量减小,造成叶顶间隙空化减少以及与叶顶区相连的三角形云状空化的宽度减小.     

离心泵的空化流数值模拟与空化余量预测

空化余量是泵非常重要的性能指标之一,目前主要依靠试验来确定。如何在离心泵设计过程中较为准确地预测出必须的空化余量对优化设计和提高运行稳定性等方面十分重要。针对离心泵运行过程中发生空化时的流动特点,基于Rayleigh—Plesset方程来描述空泡生长和溃灭过程的空泡动力学模型,采用混合空化两相流模型和三维全流道两相流流动数值模拟技术,探索通过数值试验来预测空化余量的方法。对一低比转速离心泵进行全流道空化流数值模拟,通过改变NPSHa来模拟试验工况,数值模拟预测出各模拟试验工况下的扬程、叶片表面压力分布、叶片表面空化发生区域以及流道内空泡体积率分布,从而预测该泵的NPSHr,其预测结果与试验值的误差小于10％。     

带空化器回转体空化流场研究

为深入研究绕带空化器回转体的空化流场结构,采用试验和数值模拟的方法对带不同尺度空化器回转体的空化流动进行了研究。运用高速全流场流动显示技术获得了不同空化数下绕回转体的空泡形态,运用粒子图像测速技术(DPIV)测量了相应工况下流场的时均速度和时均涡量分布。研究结果表明:空化器尺度对绕回转体空化流动有重要影响,对于自然空化,不同尺度空化器初生空化数不同,空化器越大越有利于空化的产生,并有利于空泡的发展;对于通气空化,在相同通气率下,绕小尺度空化器回转体产生的空泡长度大于绕大尺度空化器回转体的泡长,且绕小尺度空化器回转体容易达到稳定的超空泡状态。这是由于在大空化器后部流动分离明显,存在更加复杂的漩涡运动,从而不容易产生稳定的空泡。在相同通气率和傅汝德数下,绕带不同空化器的回转体形成的空泡形态不同,空泡的脱落方式和周期也不同。     

水翼非定常空化流场的数值模拟

采用修正的RNGk-ε湍流模型对8°攻角NACA0015水翼的非定常二维空化流场进行数值模拟,分析当空化数分别为1和1.5,对应雷诺数为3×105时绕翼型的非定常流动,得到不同空化数下的非定常空化流场结构及其演化过程的流动特性.计算结果表明,回射流在空泡的形成和发展过程中起着重要的作用.空泡首先出现于水翼的前缘,在其产生的位置形成一个顺时针的漩涡,漩涡沿水翼上表面向下游移动.空泡逐渐长大并脱落,在不同空化数下,空泡脱落的位置不同.空泡形成和发展过程中均伴有压力的波动,大空化数流场的压力波动幅度和频率都明显高于小空化数流场.     

不同湍流模型在水翼前缘空化流场数值计算中的应用研究

叶片前缘空化是水力机械最常见的空化类型之一,可导致水力机械效率和运行稳定性大大降低.为了精准预测前缘空化条件下的流场特性,文中以NACA0009水翼为对象,探讨了Reynolds-averaged Navier-Stokes equation(RANS)、Detached eddy simulation(DES)和Large eddy simulation(LES)三种湍流模型在空化流场计算中的应用.讨论了湍流模型对空化形态、近壁区速度分布的影响,结果表明:RANS湍流计算方法无法得到空泡形态的动态变化,DES湍流计算方法得到的空泡形态在一个流动周期内变化较小,且尾部存在空泡脱落现象,而LES湍流计算方法得到空泡瞬态特性增强,空化形态和位置随时间变化较大;在远离壁面的区域,RANS、DES和LES三种湍流模型预测速度均与实验值较为吻合,在近壁区LES方法吻合结果最好.     

空化空泡发育和溃灭过程的数值分析

基于空化空泡发育和渍灭过程的热力学分析,综合考虑热传导和热辐射的影响,提出了一个新的用于数值分析空泡变化过程的数学模型--热传导-热辐射模型.结合Runge-Kutta-Fe-hlberg法,利用3个数值分析模型(等温模型、绝热模型和热传导-热辐射模型)求解了描述空泡发育和溃灭过程的Rayleigh-Plesset方程,并将数值计算结果与不同研究人员所得到的试验结果进行了比较.结果表明:热传导-热辐射模型可以以较高精度地数值模拟空化空泡的变化过程,其计算结果与试验结果吻合较好.     

绕空化器回转体通气空泡流态特征实验研究

为了研究通气空泡流态的转变机制,本文采用高速摄影技术对绕空化器回转体通气空泡的流场结构进行了观测,分析了通气率和空化器尺寸对通气空泡流态的影响。结果表明:随通气率的增大,空泡的发展过程整体可分为3个特征阶段,即快速增长阶段、缓慢增长阶段和相对稳定阶段。通气率的增大引起空泡不对称性加剧,空泡尾部泄气方式由回射流泄气逐渐转变为双涡管泄气,空泡的形态由泡沫状逐渐发展为完全透明的稳定超空泡。相比于小尺度空化器模型,相同傅汝德数条件下,大尺度空化器模型下形成连续透明空泡的最小通气量增大,各空泡形态分布区域和空泡发展趋势也发生改变。     

空化数与雷诺数关系的确定

采用量纲分析和试验相结合的方法探求空化数和雷诺数的关系。通过量纲分析表明,空化数和雷诺数之间有确定的函数关系。利用不同厚度、孔数和孔径的多洞孔板作为水力空化发生装置,通过对罗丹明B溶液的空化降解试验,得出了空化数与雷诺数间呈幂次关系。试验结果也验证了水力空化有降解效果。     

文丘里管水力空化反应器空化流场特性分析

在综合考虑入口压力、不同喉部直径、不同入口加氧量、液体可压缩性以及湍流作用等情况下,以文丘里管喉部压力小于等于相应温度下的饱和蒸汽压为依据,设计了空化装置。基于连续性方程、伯努利方程、空化泡动力学方程求解了空泡径向非线性方程。采用计算流体软件FLUENT以文丘里管不同入口压力、喉部直径和入口加氧量等为变量进行了单因素数值模拟试验,获得了文丘里管反应器内空泡的成长与溃灭特性,分析了湍流作用下入口压力及不同喉部直径对空化泡运动特性及其所形成压力脉冲的影响规律。搭建水力空化装置试验台对污水进行处理测试,试验处理结果表明:对石油污水处理后COD(chemical oxygen demand,化学需氧量)降低41.14%,对造纸厂污水处理后COD降低63.83%,说明空化反应器合适的结构参数和控制参数有利于提高空化强度。     

低固相含量液流中磨蚀翼型空化特性研究

针对水力机械内部空蚀及泥沙磨损联合作用破坏问题,探索空化促进磨损破坏的方式.在闭式循环装置的收缩-扩散实验段中,采用激光-CCD系统获取低固相含量下空化场中翼型表面多个断面的空穴结构分布,分析了空穴结构空间分布规律及其初生、发展、脱落、溃灭的周期性行为特征.针对空穴结构分布,采用了一种基于统计原理的图像处理方法,获得了空泡云平均值及标准差值的灰度分布,前者为流场中各位置的空化程度,后者为各位置空泡云体积变化率的分布.结合已有的空蚀磨损研究成果认为,水力机械内部空化促进颗粒磨损的方式取决于空穴结构及其体积变化率在流场中的分布规律.     

氦压气机转子叶顶间隙结构研究

为了解决高负荷设计方法导致高负荷氦气压气机叶顶泄漏问题,本文采用数值模拟的方法,对氦压气机转子叶顶间隙泄漏涡形成机理、转子上端壁间隙结构控制机理及其对叶顶间隙泄漏涡的控制作用进行了研究。结果表明:氦压气机转子叶顶前缘单侧槽对叶顶间隙泄漏损失的控制效果最为明显;槽的坡度为30°时,氦压气机转子的性能改善幅度最大;叶顶间隙越大,叶顶前缘单侧槽的有效性越强,当叶顶间隙为1 mm时,能够使压气机转子的绝热效率提高0. 15%。该研究能有效控制叶顶间隙泄漏损失,提高压气机设计点性能。     

三角形孔口多孔板水力空化特性研究

随着废水中污染物成分越来越复杂,传统水处理技术已经很难满足相应的处理要求。水力空 化是一种新型水处理技术,空化泡溃灭形成的微射流、冲击波能在短时间内释放巨大的能量。此 外,空化泡溃灭时产生的局部异常高温高压可以使水分子结合键断裂产生具有高氧化能力的羟基 自由基·ＯＨ,可以与其它分子发生化学反应。采用三角形孔口多孔板作为水力空化发生器,研究 了多孔板孔径大小、开孔数目对其水力空化特性的影响,并结合对硝基苯酚废液处理实验得出多孔 板型水力空化反应器能够用于含酚类废水处理,为以后含酚类难降解废水处理提供参考．     

超空化航行体前部外径对空泡影响的研究

文章基于CFD技术和水洞试验,对超空化航行体通气装置外径尺寸对空化流场的影响进行了研究.数值计算结果表明:航行体的前部外径对航行体超空泡的生成和形态有重要影响,若Rw取值偏大将会使空化流场出现空化不连续现象,甚至改变超空泡的脱体边界.文中以数值计算结果为依据,建立了航行体超空泡可以正常生成的航行体前部外径最大临界值公式.同时设计了三个航行体头部模型在水洞实验室进行了实验研究,实验结果验证了所建立公式的正确性,文中结论为进一步研究人工通气超空化奠定了基础.     

孔板和文丘里管复合结构空化器的优化设计

利用ANSYS-CFX软件, 在相关水力装置空化器研究的基础上, 对孔板和文丘里管复合结构空化器的空化效果进行模拟优化。在孔板结构参数相同、位置一定的条件下, 对复合结构空化器的空化流场进行数值模拟, 探讨3种不同形式的文丘里管喉部结构对空化效果的影响。通过对空化流场的压力分布、空泡体积分数以及汽含率的分析, 结果表明:文丘里管喉部结构形式对空化效果有着明显的影响, 在相同的边界条件下, 急剧型的复合结构空化器空化效果更强。       

余热排出泵小破口失水事故空化特性数值分析

为研究小破口失水事故工况下余热排出泵内部空化流动特性,基于Rayleigh-Plesset方程的混合物均相流空化模型和剪切应力运输SST湍流模型,对余热排出泵高温高压环境下叶轮内空化流动进行全流道数值计算。根据计算结果获得了余热排出泵小破口严重事故工况下扬程和效率的衰减曲线及空化发生的初始压力,捕捉到泵内空化的发生、发展过程。研究结果表明:当环境压力降低至大约1.15 MPa时,叶片吸力面进水边靠近前盖板处开始出现空泡,随着环境压力的降低,空泡分布区域及空泡体积分数不断扩大;当压力降低至1.143 MPa时,叶轮内部最大空泡体积分数达到50.17%,严重空化时,叶片工作面会有空泡聚集并造成叶轮流道严重堵塞致使泵扬程急剧下降。通过分析空化发生的状况得出空化发生的初始压力,为余热排出泵的设计提供一定的参考。     

旋流式壅塞空化器处理苯酚溶液研究

壅塞空化是一种新型的水力空化技术,在壅塞空化器喷嘴内加入旋流芯即成为旋流式壅塞空化器。在不同背压和旋流芯长度下,利用CFD软件对旋流式壅塞空化器内部流场进行了数值仿真,并对不同初始浓度的苯酚溶液采用高效液相色谱仪检测其处理前后的质量浓度变化。计算结果表明,旋流式壅塞空化器内部产生的涡环对壅塞空化具有促进作用,并存在最佳背压和旋流芯长度。模拟污水处理试验结果表明:当背压为200 k Pa,旋流芯长度为3/4倍导程,苯酚溶液的初始质量浓度为5 mg/L时,旋流式壅塞空化器对苯酚溶液的去除效果最佳。     

变喉部长径比文丘里式水力空化杀灭原水中病原微生物的试验研究

基于浙江工业大学水力学实验室自主研发的变喉部长径比L/R文丘里(Venturi)式水力空化装置,考虑了4种喉部长径比L/R=10、30、60、100,4种原水占比(初始浓度)V_0/V=25%、50%、75%、100%,以菌落总数和大肠杆菌作为病原微生物指示菌,试验研究了喉部长径比、喉部流速、水力空化作用时间、原水初始浓度、空化数等因子对水力空化杀灭原水中病原微生物的影响。试验结果表明:空泡溃灭时产生的微射流、冲击波会使原水中病原微生物的细胞发生空蚀破坏,水流空化数越低,对大肠杆菌、菌落总数的杀灭率越高;流速较低或原水初始浓度较高时,其杀灭率随喉部长径比的增加逐渐增大;流速较高或原水初始浓度较低时,其杀灭率几乎与喉部长径比无关;增大喉部流速或延长水力空化作用时间,可进一步提高对病原微生物的杀灭效果。水力空化是一种无需添加消毒剂、无消毒副产物的新型生活饮用水消毒技术。     

叶片包角对离心泵空化性能的影响

为了研究叶片包角β对离心泵空化性能的影响,以100MP200单级单吸离心泵为模型,在保持其他叶轮几何参数不变的情况下,设计了4种不同包角β的叶轮,基于完全空化模型和RNGk—ε湍流模型对离心泵进行数值模拟,分析不同包角下叶轮流道内的空化性能和空泡体积分布规律。结果表明:叶片包角β对离心泵的扬程和效率有明显相关性,在叶片包角β=160°时具有最佳的扬程和效率;最佳包角为β=160°的叶轮具有最佳的抗空化性能,空化区域面积比其他三种包角叶轮有显著的减小。     

双吸离心泵叶轮空化流动预测的数值分析

基于CFD数值模拟和外特性试验并重的方法,结合RNG k-ε湍流模型、欧拉两相流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型,采用非结构化网格和SIMPLEC算法,对一台单级双吸泵内的空化流场特性进行多工况下的定常数值研究,得到以下主要结论:不同流量泵内部空化发展速度不同,小流量发展速度较慢,各阶段空化数相对较小,大流量时空泡发展速度更快;液体流经双吸式叶轮结毂处与双涡壳隔板起始端时会产生液体之间或液体与固体之间的相互作用,导致流体液流角发生变化,出现脱流与漩涡,使这些位置及附近区域由于能量耗散造成压力减小,进而导致空泡析出;此现象在0.6Q_d工况下最明显,说明小流量工况液流角更易发生变化。     

双圆盘空化器射弹通气超空泡形态特性实验研究

基于空泡截面独立扩张原理,提出了一种应用于水下射弹的双圆盘空化器。并在高速循环水洞中对此系列双圆盘空化器的空泡生成特性和形态特性进行实验研究。实验通过改变通气流量系数,观察了不同锥顶角下的通气超空泡形态。实验表明,此系列双圆盘空化器诱导生成的通气超空泡存在前盘优先和后盘优先2种空化状态,二者的过渡发生在锥顶角55°附近;生成稳定通气超空泡的临界通气流量系数值与锥顶角呈正相关趋势,前盘和后盘对空泡生成具有相互抑制作用;且通气超空泡的形态特征量不随通气流量系数增加而持续增加,而是存在一个通气流量系数上限值。