軸流泵葉頂泄漏渦云狀空化脫落機(jī)理與不穩(wěn)定性控制

軸流泵在南水北調(diào)工程、大中型泵站中具有廣泛的應(yīng)用。由于輪緣與轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)下，葉頂間隙內(nèi)將產(chǎn)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(wěn)定性問(wèn)題是大型調(diào)水工程和國(guó)防裝備急需解決的難題之一，研究葉頂泄漏渦云狀空化脫落機(jī)理是解決該問(wèn)題的基礎(chǔ)研究。本項(xiàng)目以水翼和軸流泵模型為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬、3D-PIV、高速攝影、壓力脈動(dòng)測(cè)量等實(shí)驗(yàn)手段開(kāi)展研究。主要研究成果如下： （1）選用不同水翼進(jìn)行湍流模型和空化模型驗(yàn)算。針對(duì)水翼表面片狀空化生長(zhǎng)、空化云聚集、脫落和潰滅等瞬態(tài)過(guò)程，對(duì)比分析了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果，驗(yàn)證了湍流模型和空化模型的適用性。 （2）基于不同湍流模型，對(duì)軸流泵葉頂云狀空化進(jìn)行非定常數(shù)值模擬，結(jié)合3D-PIV實(shí)驗(yàn)研究，分析了葉頂泄漏渦和剪切層空化形態(tài)與生成機(jī)理，探究了葉頂泄漏渦空化云三維結(jié)構(gòu)及其時(shí)空演化規(guī)律，掌握葉頂泄漏渦的壓力場(chǎng)、渦量場(chǎng)、剪切應(yīng)力、渦耗散、湍動(dòng)能等湍流特性，進(jìn)一步研究了云狀空化尾緣脫落與附著片狀空化的相干機(jī)制。 （3）基于高速攝影、壓力脈動(dòng)測(cè)量和非定?？栈鲾?shù)值模擬，觀察了不同運(yùn)行工況下葉頂泄漏渦空化云生成、發(fā)展及潰滅過(guò)程，分析了不穩(wěn)定云狀空化誘導(dǎo)的系統(tǒng)流量壓力振蕩特性。針對(duì)葉頂泄漏渦云狀空化時(shí)空演化過(guò)程，分析了空化云脫落和潰滅周期，解釋了不穩(wěn)定空化云對(duì)主流和相鄰葉片壓力面流場(chǎng)擾動(dòng)的物理過(guò)程，從而掌握云狀空化及其誘導(dǎo)渦引起的堵塞流道、流動(dòng)失穩(wěn)機(jī)理。 （4）基于不同工況數(shù)值模擬和內(nèi)流試驗(yàn)，提出了不同葉片數(shù)、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云狀空化不穩(wěn)定振蕩特性，根據(jù)葉頂泄漏渦及其誘導(dǎo)空化的強(qiáng)度、尺度及發(fā)展規(guī)律，評(píng)價(jià)了不同葉輪方案對(duì)不穩(wěn)定葉頂泄漏渦云狀空化的抑制效果。為軸流泵機(jī)組的設(shè)計(jì)和穩(wěn)定運(yùn)行提供理論基礎(chǔ)。 2100433B

軸流泵空化不穩(wěn)定性問(wèn)題是大型調(diào)水工程和國(guó)防裝備急需解決的難題之一，研究葉頂泄漏渦云狀空化脫落機(jī)理是解決該問(wèn)題的基礎(chǔ)研究。本項(xiàng)目以全透明軸流泵模型為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬、3D-PIV、高速攝影、壓力脈動(dòng)、葉輪動(dòng)態(tài)力測(cè)量等實(shí)驗(yàn)手段開(kāi)展研究。主要研究?jī)?nèi)容有：1）探明葉頂泄漏渦和剪切層空穴形態(tài)產(chǎn)生機(jī)理，分析葉頂泄漏渦空化云的三維結(jié)構(gòu)及其時(shí)空演化規(guī)律，掌握葉頂泄漏渦的壓力場(chǎng)、渦量場(chǎng)、剪切應(yīng)力、渦耗散、湍動(dòng)能及其生成速率等湍流特性，揭示云狀空化的脫落過(guò)程與非定常渦結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)特性。2)基于可視化實(shí)驗(yàn)，分析云狀空化的生長(zhǎng)、發(fā)展與潰滅過(guò)程，闡明空化云誘導(dǎo)泵流量和壓力的振蕩特性,揭示不穩(wěn)定空化云誘導(dǎo)葉片載荷突降、壓力面流動(dòng)分離及失穩(wěn)機(jī)理。3)掌握葉頂泄漏渦云狀空化的周期性脫落頻率特性，繪制軸流泵空化不穩(wěn)定性圖譜，并提出不穩(wěn)定空化云的主動(dòng)控制方法。本項(xiàng)目預(yù)期成果，將為軸流泵機(jī)組的設(shè)計(jì)和穩(wěn)定運(yùn)行提供理論基礎(chǔ)。

軸流泵轉(zhuǎn)輪葉頂泄漏渦空蝕是南水北調(diào)工程和國(guó)防裝備急需解決的難題之一，研究葉頂泄漏渦的空化機(jī)理是解決該問(wèn)題的基礎(chǔ)研究。本項(xiàng)目以全透明軸流泵模型為研究對(duì)象，對(duì)轉(zhuǎn)輪葉頂非定常泄漏渦的流動(dòng)結(jié)構(gòu)及其誘導(dǎo)空化機(jī)理進(jìn)行研究。具體內(nèi)容包括：建立基于k-ε SST湍流模型的DES方法和Singhal空化模型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)湍流模型中的參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定；基于非定常數(shù)值模擬、3D-PIV和高速攝影測(cè)量，分析泄漏渦的卷吸過(guò)程、渦心運(yùn)動(dòng)軌跡，研究葉頂斷面形狀和間隙大小對(duì)泄漏空化渦帶結(jié)構(gòu)的影響，闡明間隙區(qū)靜壓、湍動(dòng)能、渦量場(chǎng)與空泡分布的關(guān)聯(lián)性；探討不同葉頂結(jié)構(gòu)對(duì)空化渦帶近壁區(qū)壓力脈動(dòng)特性的影響規(guī)律，并在數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，提出控制或減弱葉頂泄漏渦空化的途徑和方法。本項(xiàng)目旨在揭示葉頂泄漏渦的渦核低壓區(qū)誘導(dǎo)空化機(jī)理，掌握軸流泵葉頂斷面形狀和間隙大小對(duì)泄漏空化渦帶結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，為有效控制或減弱葉頂泄漏渦空蝕提供理論基礎(chǔ)。

本項(xiàng)目以比轉(zhuǎn)速為700的軸流泵模型泵為研究對(duì)象，基于數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究并重的研究方法，系統(tǒng)研究了軸流泵葉頂泄漏渦形成在過(guò)程、流動(dòng)結(jié)構(gòu)以及渦空化特性，研究的主要內(nèi)容及成果如下： （1）基于網(wǎng)格無(wú)關(guān)性和邊界層精細(xì)化流場(chǎng)，分析了網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)格數(shù)對(duì)葉頂區(qū)邊界層及葉頂泄漏渦流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響，毫米級(jí)間隙區(qū)采用了高密度結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格處理，保證壁面y 值小于50。采用Standard k-ε, RNG k-ε，k-ω和SST k-ω四種湍流模型對(duì)軸流泵端壁區(qū)全流道進(jìn)行了三維湍流場(chǎng)數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果表明，SST k-ω湍可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)具有逆壓梯度的軸流泵葉頂泄漏流的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。 （2）針對(duì)三種葉頂間隙的軸流泵，分別進(jìn)行了全流道多工況數(shù)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(chǎng)結(jié)構(gòu)特性。數(shù)值模擬結(jié)果表明，隨著流量的增大，葉頂間隙泄漏流的渦核跡線起點(diǎn)由葉片前端逐漸往葉片后緣移動(dòng)，且往翼型中部移動(dòng)；隨著葉頂間隙的增大，軸流泵的揚(yáng)程逐漸下降，頂泄漏渦的渦核運(yùn)動(dòng)軌跡線由葉片前端往葉片后緣移動(dòng)。 （3）基于均相流空化模型，對(duì)軸流泵模型泵在不同流量工況分別進(jìn)行空化流場(chǎng)計(jì)算，分析了軸流泵葉頂泄漏渦的渦核低壓區(qū)誘導(dǎo)空化特性。揭示了葉輪區(qū)域空化的初生和發(fā)展過(guò)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(guī)律，并比較了不同空化數(shù)工況下葉片表面壓力分布特性。數(shù)值模擬結(jié)果表明，當(dāng)空化初生時(shí)，葉片進(jìn)口邊靠近輪緣處首先形成局部微小刮起渦，葉片輪緣以及間隙區(qū)域形成附著空化和葉頂泄漏渦空化，此時(shí)不同圓柱截面空化面積較小，空化區(qū)主要在靠近間隙區(qū)域，隨著空化數(shù)逐漸降低，葉片外緣附近空化逐漸嚴(yán)重，且沿徑向往葉片背面擴(kuò)展至整個(gè)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(chǎng)引起葉輪出口間隙區(qū)域軸向速度逐漸降低。 （4）基于數(shù)值模擬和高速攝影試驗(yàn)，分析了不同葉頂間隙工況下軸流泵端壁區(qū)空化流場(chǎng)、葉頂泄漏渦帶以及渦核運(yùn)動(dòng)軌跡線的分布特性，計(jì)算結(jié)果表明，隨著葉頂間隙的增大，軸流泵的臨界空化數(shù)逐漸增大，且葉片輪緣靠近間隙圓柱面的空化逐漸嚴(yán)重且往葉片尾部移動(dòng)，同時(shí)間隙泄漏流增加。在葉片空化初生時(shí)，葉輪在間隙區(qū)出現(xiàn)輕微的間隙泄漏空化和葉頂泄漏渦空化；隨著空化數(shù)的逐漸降低，間隙泄漏空化和葉頂泄漏渦空化的區(qū)域逐漸增加，且較為嚴(yán)重，空泡在葉片后部產(chǎn)生爆破。 2100433B

基于鈍體繞流卡門(mén)渦周期性反對(duì)稱(chēng)脫落會(huì)引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)、誘發(fā)氣動(dòng)噪聲這一物理現(xiàn)象，本項(xiàng)目提出了合成射流控制圓柱繞流的一種新的思路：改變尾跡渦固有的脫落模式。擬利用一對(duì)對(duì)稱(chēng)放置于圓柱上下兩側(cè)的二維合成射流控制圓柱繞流，通過(guò)調(diào)節(jié)來(lái)流雷諾數(shù)、射流出口方位角、激勵(lì)振幅以及激勵(lì)頻率等，改變圓柱尾跡渦固有的反對(duì)稱(chēng)脫落模式,例如抑制尾跡渦脫落、誘導(dǎo)產(chǎn)生對(duì)稱(chēng)脫落模式等。主要通過(guò)水槽中的流動(dòng)顯示以及PIV測(cè)量速度場(chǎng)對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行研究，借助本征正交分解（POD）、動(dòng)力學(xué)模態(tài)分解（DMD）等多種數(shù)據(jù)處理技術(shù)，分析尾跡渦演化發(fā)展的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，揭示合成射流漩渦與圓柱壁面邊界層/剪切層/尾跡渦相互作用的物理機(jī)制，研究尾跡渦脫落模式變化對(duì)流場(chǎng)、分離以及阻力特性的影響，分析不同流動(dòng)狀態(tài)下激勵(lì)參數(shù)的影響規(guī)律進(jìn)而獲得合成射流有效控制的優(yōu)化參數(shù)，最終為合成射流控制渦脫落模式這一新思路提供充實(shí)的科學(xué)依據(jù)。