轴流泵叶顶泄漏涡的空化机理研究

本项目以比转速为700的轴流泵模型泵为研究对象，基于数值模拟和试验研究并重的研究方法，系统研究了轴流泵叶顶泄漏涡形成在过程、流动结构以及涡空化特性，研究的主要内容及成果如下： （1）基于网格无关性和边界层精细化流场，分析了网格拓扑结构和网格数对叶顶区边界层及叶顶泄漏涡流动结构的影响，毫米级间隙区采用了高密度结构化网格处理，保证壁面y 值小于50。采用Standard k-ε, RNG k-ε，k-ω和SST k-ω四种湍流模型对轴流泵端壁区全流道进行了三维湍流场数值模拟，计算结果表明，SST k-ω湍可准确预测具有逆压梯度的轴流泵叶顶泄漏流的流场结构。 （2）针对三种叶顶间隙的轴流泵，分别进行了全流道多工况数值模拟，探究在不同流量工况以及不同叶顶间隙大小条件下，轴流泵叶顶间隙泄漏流的流场结构特性。数值模拟结果表明，随着流量的增大，叶顶间隙泄漏流的涡核迹线起点由叶片前端逐渐往叶片后缘移动，且往翼型中部移动；随着叶顶间隙的增大，轴流泵的扬程逐渐下降，顶泄漏涡的涡核运动轨迹线由叶片前端往叶片后缘移动。 （3）基于均相流空化模型，对轴流泵模型泵在不同流量工况分别进行空化流场计算，分析了轴流泵叶顶泄漏涡的涡核低压区诱导空化特性。揭示了叶轮区域空化的初生和发展过程，探究了不同圆柱截面上的空化面积以及叶轮出口轴向速度随着叶轮半径的变化规律，并比较了不同空化数工况下叶片表面压力分布特性。数值模拟结果表明，当空化初生时，叶片进口边靠近轮缘处首先形成局部微小刮起涡，叶片轮缘以及间隙区域形成附着空化和叶顶泄漏涡空化，此时不同圆柱截面空化面积较小，空化区主要在靠近间隙区域，随着空化数逐渐降低，叶片外缘附近空化逐渐严重，且沿径向往叶片背面扩展至整个叶片背面，不同圆柱截面的空化面积逐渐增大，叶顶泄漏涡空化流场引起叶轮出口间隙区域轴向速度逐渐降低。 （4）基于数值模拟和高速摄影试验，分析了不同叶顶间隙工况下轴流泵端壁区空化流场、叶顶泄漏涡带以及涡核运动轨迹线的分布特性，计算结果表明，随着叶顶间隙的增大，轴流泵的临界空化数逐渐增大，且叶片轮缘靠近间隙圆柱面的空化逐渐严重且往叶片尾部移动，同时间隙泄漏流增加。在叶片空化初生时，叶轮在间隙区出现轻微的间隙泄漏空化和叶顶泄漏涡空化；随着空化数的逐渐降低，间隙泄漏空化和叶顶泄漏涡空化的区域逐渐增加，且较为严重，空泡在叶片后部产生爆破。 2100433B

轴流泵转轮叶顶泄漏涡空蚀是南水北调工程和国防装备急需解决的难题之一，研究叶顶泄漏涡的空化机理是解决该问题的基础研究。本项目以全透明轴流泵模型为研究对象，对转轮叶顶非定常泄漏涡的流动结构及其诱导空化机理进行研究。具体内容包括：建立基于k-ε SST湍流模型的DES方法和Singhal空化模型，并通过实验对湍流模型中的参数进行标定；基于非定常数值模拟、3D-PIV和高速摄影测量，分析泄漏涡的卷吸过程、涡心运动轨迹，研究叶顶断面形状和间隙大小对泄漏空化涡带结构的影响，阐明间隙区静压、湍动能、涡量场与空泡分布的关联性；探讨不同叶顶结构对空化涡带近壁区压力脉动特性的影响规律，并在数值计算和实验研究基础上，提出控制或减弱叶顶泄漏涡空化的途径和方法。本项目旨在揭示叶顶泄漏涡的涡核低压区诱导空化机理，掌握轴流泵叶顶断面形状和间隙大小对泄漏空化涡带结构的影响规律，为有效控制或减弱叶顶泄漏涡空蚀提供理论基础。

轴流泵空化不稳定性问题是大型调水工程和国防装备急需解决的难题之一，研究叶顶泄漏涡云状空化脱落机理是解决该问题的基础研究。本项目以全透明轴流泵模型为研究对象，采用数值模拟、3D-PIV、高速摄影、压力脉动、叶轮动态力测量等实验手段开展研究。主要研究内容有：1）探明叶顶泄漏涡和剪切层空穴形态产生机理，分析叶顶泄漏涡空化云的三维结构及其时空演化规律，掌握叶顶泄漏涡的压力场、涡量场、剪切应力、涡耗散、湍动能及其生成速率等湍流特性，揭示云状空化的脱落过程与非定常涡结构的关联特性。2)基于可视化实验，分析云状空化的生长、发展与溃灭过程，阐明空化云诱导泵流量和压力的振荡特性,揭示不稳定空化云诱导叶片载荷突降、压力面流动分离及失稳机理。3)掌握叶顶泄漏涡云状空化的周期性脱落频率特性，绘制轴流泵空化不稳定性图谱，并提出不稳定空化云的主动控制方法。本项目预期成果，将为轴流泵机组的设计和稳定运行提供理论基础。

轴流泵在南水北调工程、大中型泵站中具有广泛的应用。由于轮缘与转轮室之间不可避免地存在叶顶间隙，在叶片压力面（PS）和吸力面（SS）的压差驱动下，叶顶间隙内将产生泄漏流（Tip leakage flow）,其与主流卷吸形成叶顶泄漏涡（Tip leakage vortex, TLV）。轴流泵叶顶空化不稳定性问题是大型调水工程和国防装备急需解决的难题之一，研究叶顶泄漏涡云状空化脱落机理是解决该问题的基础研究。本项目以水翼和轴流泵模型为研究对象，采用数值模拟、3D-PIV、高速摄影、压力脉动测量等实验手段开展研究。主要研究成果如下： （1）选用不同水翼进行湍流模型和空化模型验算。针对水翼表面片状空化生长、空化云聚集、脱落和溃灭等瞬态过程，对比分析了实验数据与模拟结果，验证了湍流模型和空化模型的适用性。 （2）基于不同湍流模型，对轴流泵叶顶云状空化进行非定常数值模拟，结合3D-PIV实验研究，分析了叶顶泄漏涡和剪切层空化形态与生成机理，探究了叶顶泄漏涡空化云三维结构及其时空演化规律，掌握叶顶泄漏涡的压力场、涡量场、剪切应力、涡耗散、湍动能等湍流特性，进一步研究了云状空化尾缘脱落与附着片状空化的相干机制。 （3）基于高速摄影、压力脉动测量和非定常空化流数值模拟，观察了不同运行工况下叶顶泄漏涡空化云生成、发展及溃灭过程，分析了不稳定云状空化诱导的系统流量压力振荡特性。针对叶顶泄漏涡云状空化时空演化过程，分析了空化云脱落和溃灭周期，解释了不稳定空化云对主流和相邻叶片压力面流场扰动的物理过程，从而掌握云状空化及其诱导涡引起的堵塞流道、流动失稳机理。 （4）基于不同工况数值模拟和内流试验，提出了不同叶片数、不同叶顶形状和间隙大小等叶轮方案。分析了不同方案叶轮的云状空化不稳定振荡特性，根据叶顶泄漏涡及其诱导空化的强度、尺度及发展规律，评价了不同叶轮方案对不稳定叶顶泄漏涡云状空化的抑制效果。为轴流泵机组的设计和稳定运行提供理论基础。 2100433B

喷水推进泵叶顶间隙流动涉及梢涡、泄露涡以及边界层流动等多种流动问题，而且其常常与空化相伴而生，流动机理十分复杂，因此研究喷水推进泵叶顶间隙空化瞬变流动结构及演变机理对现代高速船舶设计及安全平稳运行具有重要的参考价值，同时也丰富了空化水动力学的理论体系，具有重要的科学意义和广阔的应用前景。本研究重点以三维水翼和M1704型喷水推进泵为研究对象，开展了相关的机理实验、数值模拟及理论分析。揭示了壁面边界层对三维水翼间隙涡空化的影响规律及具体作用机制，在此基础上提出了一种凸缘-沟槽复合式叶顶间隙泄露涡空化抑制方法，为工程中控制该问题提供了新的手段；发现了间隙涡空化流动中特有的气核富集现象，并通过理论分析定量地评估了气核在梢涡空化过程中的影响，并提出了一种考虑气核效应的欧拉-拉格朗日耦合空化模型，显著改善了间隙涡空化模拟的精度；系统地阐述了间隙空化的初生、发展、溃灭等过程的演变规律，深入分析了间隙涡空化中空化与漩涡及湍流的相互作用机制，揭示了涡空化内部涡量逐渐减小的原因，发现湍动能的扩散项是涡空化内部高湍动能的原因；提出了一套喷水推进泵叶顶间隙空化模拟方法，详细阐述了间隙空化在不同时刻的时空演变规律以及涡与空化相互作用机制，并初步建立了喷水推进泵涡量流诊断方法，为喷水推进泵间隙空化的控制和水力性能的改善提供理论基础。相关的研究成果已在中国船舶工业集团708研究所喷水推进泵的优化设计中得到应用，有力的推动我国高速舰船空化减振降噪技术的研究。