軸流泵葉頂泄漏渦云狀空化脫落機理與不穩(wěn)定性控制結(jié)題摘要

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)定性問題是大型調(diào)水工程和國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理是解決該問題的基礎(chǔ)研究。本項目以水翼和軸流泵模型為研究對象，采用數(shù)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、空化云聚集、脫落和潰滅等瞬態(tài)過程，對比分析了實驗數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果，驗證了湍流模型和空化模型的適用性。 （2）基于不同湍流模型，對軸流泵葉頂云狀空化進行非定常數(shù)值模擬，結(jié)合3D-PIV實驗研究，分析了葉頂泄漏渦和剪切層空化形態(tài)與生成機理，探究了葉頂泄漏渦空化云三維結(jié)構(gòu)及其時空演化規(guī)律，掌握葉頂泄漏渦的壓力場、渦量場、剪切應(yīng)力、渦耗散、湍動能等湍流特性，進一步研究了云狀空化尾緣脫落與附著片狀空化的相干機制。 （3）基于高速攝影、壓力脈動測量和非定?？栈鲾?shù)值模擬，觀察了不同運行工況下葉頂泄漏渦空化云生成、發(fā)展及潰滅過程，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。針對葉頂泄漏渦云狀空化時空演化過程，分析了空化云脫落和潰滅周期，解釋了不穩(wěn)定空化云對主流和相鄰葉片壓力面流場擾動的物理過程，從而掌握云狀空化及其誘導(dǎo)渦引起的堵塞流道、流動失穩(wěn)機理。 （4）基于不同工況數(shù)值模擬和內(nèi)流試驗，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)空化的強度、尺度及發(fā)展規(guī)律，評價了不同葉輪方案對不穩(wěn)定葉頂泄漏渦云狀空化的抑制效果。為軸流泵機組的設(shè)計和穩(wěn)定運行提供理論基礎(chǔ)。 2100433B

軸流泵空化不穩(wěn)定性問題是大型調(diào)水工程和國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理是解決該問題的基礎(chǔ)研究。本項目以全透明軸流泵模型為研究對象，采用數(shù)值模擬、3D-PIV、高速攝影、壓力脈動、葉輪動態(tài)力測量等實驗手段開展研究。主要研究內(nèi)容有：1）探明葉頂泄漏渦和剪切層空穴形態(tài)產(chǎn)生機理，分析葉頂泄漏渦空化云的三維結(jié)構(gòu)及其時空演化規(guī)律，掌握葉頂泄漏渦的壓力場、渦量場、剪切應(yīng)力、渦耗散、湍動能及其生成速率等湍流特性，揭示云狀空化的脫落過程與非定常渦結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)特性。2)基于可視化實驗，分析云狀空化的生長、發(fā)展與潰滅過程，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、壓力面流動分離及失穩(wěn)機理。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)定空化云的主動控制方法。本項目預(yù)期成果，將為軸流泵機組的設(shè)計和穩(wěn)定運行提供理論基礎(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(chǔ)研究。本項目以全透明軸流泵模型為研究對象，對轉(zhuǎn)輪葉頂非定常泄漏渦的流動結(jié)構(gòu)及其誘導(dǎo)空化機理進行研究。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，并通過實驗對湍流模型中的參數(shù)進行標(biāo)定；基于非定常數(shù)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(jié)構(gòu)的影響，闡明間隙區(qū)靜壓、湍動能、渦量場與空泡分布的關(guān)聯(lián)性；探討不同葉頂結(jié)構(gòu)對空化渦帶近壁區(qū)壓力脈動特性的影響規(guī)律，并在數(shù)值計算和實驗研究基礎(chǔ)上，提出控制或減弱葉頂泄漏渦空化的途徑和方法。本項目旨在揭示葉頂泄漏渦的渦核低壓區(qū)誘導(dǎo)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(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)。

本項目以比轉(zhuǎn)速為700的軸流泵模型泵為研究對象，基于數(shù)值模擬和試驗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程、流動結(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)格無關(guān)性和邊界層精細化流場，分析了網(wǎng)格拓撲結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格數(shù)對葉頂區(qū)邊界層及葉頂泄漏渦流動結(jié)構(gòu)的影響，毫米級間隙區(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四種湍流模型對軸流泵端壁區(qū)全流道進行了三維湍流場數(shù)值模擬，計算結(jié)果表明，SST k-ω湍可準(zhǔn)確預(yù)測具有逆壓梯度的軸流泵葉頂泄漏流的流場結(jié)構(gòu)。 （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(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由葉片前端逐漸往葉片后緣移動，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后緣移動。 （3）基于均相流空化模型，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(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，葉片進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重，且沿徑向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(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，分析了不同葉頂間隙工況下軸流泵端壁區(qū)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(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(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，且較為嚴重，空泡在葉片后部產(chǎn)生爆破。 2100433B

基于鈍體繞流卡門渦周期性反對稱脫落會引起結(jié)構(gòu)振動、誘發(fā)氣動噪聲這一物理現(xiàn)象，本項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。擬利用一對對稱放置于圓柱上下兩側(cè)的二維合成射流控制圓柱繞流，通過調(diào)節(jié)來流雷諾數(shù)、射流出口方位角、激勵振幅以及激勵頻率等，改變圓柱尾跡渦固有的反對稱脫落模式,例如抑制尾跡渦脫落、誘導(dǎo)產(chǎn)生對稱脫落模式等。主要通過水槽中的流動顯示以及PIV測量速度場對該問題進行研究，借助本征正交分解（POD）、動力學(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)展的動力學(xué)過程，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制，研究尾跡渦脫落模式變化對流場、分離以及阻力特性的影響，分析不同流動狀態(tài)下激勵參數(shù)的影響規(guī)律進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的科學(xué)依據(jù)。