翼型和軸流泵的不穩(wěn)定空化及其尺度效應(yīng)的數(shù)值研究.pdf

1、在流體機(jī)械中空化一般是有害的，非定常空化對(duì)水力部件造成的非定常載荷會(huì)導(dǎo)致葉片、泵軸等部件的疲勞損壞甚至斷裂。所以加強(qiáng)對(duì)空化的研究，深入了解空化產(chǎn)生的機(jī)理、演化的規(guī)律，對(duì)流體機(jī)械設(shè)計(jì)過程中合理規(guī)避空化危險(xiǎn)，主動(dòng)或者被動(dòng)地減輕空化的危害具有有重要意義。
　　運(yùn)用傳統(tǒng)理論對(duì)水泵的揚(yáng)程、流量、功率進(jìn)行換算時(shí)，有很高的準(zhǔn)確性和適用性，但是在對(duì)其空化性能進(jìn)行換算時(shí)卻出現(xiàn)不可忽視的誤差，而且誤差隨著尺寸差別的增大而增大。為此，前人作了一些經(jīng)驗(yàn)性

2、的修正，但是這個(gè)現(xiàn)象的成因卻鮮有報(bào)道。本文受此啟發(fā)，希望探尋空化相似換算誤差的原因。
　　本文對(duì)流體力學(xué)中的流動(dòng)相似理論進(jìn)行了回顧，分析了粘性不可壓縮流動(dòng)動(dòng)力相似所要滿足的條件，在幾何相似和速度相似的基礎(chǔ)上，得出了流動(dòng)動(dòng)力相似的充分條件和必要條件。討論了動(dòng)力相似準(zhǔn)則數(shù)的適用情況，討論了水翼空化流動(dòng)相似應(yīng)該滿足的條件。
　　使用相同的網(wǎng)格劃分策略，對(duì)幾何相似的4個(gè)NACA66翼型模型（尺寸分別為試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷?.25、1.0、0.

3、75、0.5倍）的計(jì)算域進(jìn)行了網(wǎng)格劃分。采用分離渦湍流模型和Zwart模型，基于雷諾相似和空化數(shù)相等，對(duì)這4個(gè)翼型模型進(jìn)行了空化流場(chǎng)的模擬。通過將模型1.0的模擬結(jié)果與Leroux的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了湍流模型、空化模型以及數(shù)值方法的可行性和準(zhǔn)確性。結(jié)合空化圖像以及翼型背面的壓力脈動(dòng)，說明了繞翼型空化的演化過程。對(duì)模型1.0的回射流頭部和空穴尾部的坐標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，解釋了回射流對(duì)空化演化的重要作用。對(duì)壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)的分析，揭示了逆壓梯

4、度是回射流發(fā)展的動(dòng)力，隨時(shí)間變化的壓力場(chǎng)結(jié)構(gòu)使得回射流的發(fā)展呈現(xiàn)出一定的脈動(dòng)特性。
　　統(tǒng)計(jì)了4個(gè)模型水翼的斯特勞哈爾數(shù)，發(fā)現(xiàn)在雷諾數(shù)和空化數(shù)相等的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)值模擬，斯特勞哈爾數(shù)也基本相當(dāng)。將4個(gè)水翼的壓力脈動(dòng)模擬值進(jìn)行無量綱化后，發(fā)現(xiàn)它們的吻合程度很高;對(duì)比4個(gè)水翼的空化圖像，也發(fā)現(xiàn)有較高的一致性;這說明4個(gè)水翼擁有相同的空化發(fā)展階段。在統(tǒng)計(jì)了各個(gè)模型的空泡體積分?jǐn)?shù)的演化之后，發(fā)現(xiàn)模型的幾何尺寸越大，空泡的體積分?jǐn)?shù)越大。在對(duì)翼

5、型背面不同位置的無量綱速度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)，在空穴生長階段，各個(gè)模型的無量綱速度吻合程度很高。通過對(duì)中截面上的軸向無量綱速度進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)隨著模型尺寸的增大，主流區(qū)逐漸被擠占，充分發(fā)展的云空化對(duì)主流產(chǎn)生了影響，大約在7/14T～9/14T之間發(fā)生。通過分析無量綱壓力場(chǎng)和速度矢量場(chǎng)，觀察到大尺寸模型中的回射流發(fā)展比小模型的更快，但是大尺寸模型的殘余空泡滯留在翼型頭部的無量綱時(shí)間更長。
　　明確了幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似、歐拉相似是泵相似

6、理論的基礎(chǔ)，再一次對(duì)雷諾數(shù)在內(nèi)部流動(dòng)中的重要性進(jìn)行了闡述，雷諾數(shù)的作用不僅在邊界層中顯著，而且是主流流態(tài)的重要指標(biāo)。當(dāng)空化流場(chǎng)符合雷諾相似和空化數(shù)相等時(shí)，不同尺寸水翼的模擬結(jié)果有很強(qiáng)的相似性。如果對(duì)不同的模型，使用歐拉相似、空化數(shù)相等原則來設(shè)置模擬條件，則會(huì)導(dǎo)致空化演化出現(xiàn)非常大的差異，小模型上的空化無法分離脫落。在無量綱長度和無量綱時(shí)間上，較小的幾何邊界都會(huì)對(duì)回射流的發(fā)展存在抑制作用。
　　推導(dǎo)了基于已有的泵理論、同時(shí)符合雷諾相