宽工作范围诱导轮空化不稳定及抑制

涡轮泵是液体火箭发动机的心脏,在特定工况下其内部会发生空化不稳定现象,导致涡轮泵振动量级大幅增加,严重影响发动机整机工作可靠性.以决定涡轮泵抗空化能力的关键部件诱导轮为研究对象,利用空化可视化实验和数值仿真对其内部空化流动特性进行深入分析,获得60%~120%设计点流量范围完整空化性能曲线,提出一种基于壳体改进的旋转空化抑制措施,并揭示抑制机理.结果表明:该型诱导轮抗空化能力随流量降低逐渐增强,空化首先发生在泄漏涡中,随空化数降低,泄漏涡空化逐渐沿吸力面向下游发展,影响相邻叶片冲角,在小流量范围诱发显著的1.2倍叶轮转频超同步旋转空化现象,直至空化延伸至叶片流道出口,导致扬程断裂;在叶尖前缘壳体设置台阶不会影响诱导轮稳态空化性能,但会改变泄漏涡空化的发展规律,使其呈现向上游摆动的趋势,削弱对相邻叶片冲角的影响,实现对全流量范围旋转空化的有效抑制.文章研究对于降低涡轮泵振动量级,进一步提升液体火箭发动机工作可靠性有一定指导意义.

诱导轮液氧空化流动特性数值仿真

诱导轮是决定涡轮泵抗空化能力的关键部件,为了揭示诱导轮内部液氧空化流动特性,建立了基于能量方程源项修正的低温空化数值计算方法,同时耦合了液氧物性随温度变化关系,利用经典低温空化和诱导轮空化试验数据进行了充分验证,对某三叶片诱导轮内部液氧空化流动进行了仿真分析。结果表明:低温介质空化过程中与周围液体存在剧烈的能量交换,但只有一部分空化溃灭释放的热量被传递至周围流场,通过调节能量方程源项中空化溃灭释热比例可使空化区尾部温度场预测精度提升0.5%。对比等温计算,考虑热效应后,液氧空化区范围和内部汽相体积分数大幅减小,对流道的阻塞程度降低,有效延缓了诱导轮扬程断裂。对3种温度下液氧空化流动进行仿真研究,发现液氧温度越高,空化范围越小,同时空化区温降越大,诱导轮空化性能改善也越显著。

水翼空化瞬态特征与空化冲击关系试验研究

舰船在高航速运行工况下空化非定常演化过程产生的冲击,是空化激励产生异响甚至空蚀的根源。实际空化流动是包含多尺度流动结构的复杂过程,涉及空化的脱落、破碎、合并以及溃灭等多重影响因素,目前对于空化冲击形成机制的认识及判别尚不清晰,制约了空化冲击控制措施的发展。针对上述问题,本文以扭曲水翼为对象,首先采用水翼物面蓝油涂层方法确认空化冲击的主要区域,然后利用高速相机和水听器开展空化图像与脉动信号在时域上的同步测试,分析水翼片空化脱落形成云空化过程中物面空化冲击与空化瞬态结构特征之间的关系。结果表明,对于典型片空化形成云空化的过程,高频高幅值的空化冲击是由片空化脱落后形成的云空化结构局部整体溃灭回弹现象引起,且在瞬时产生强烈的压力脉动。这一认识为工程上对空化冲击的判别和控制提供了依据。

不同射流参数下水翼云空化流动控制研究

在水翼吸力面采用主动射流方法可以很好地控制绕水翼的空化流动,减弱空化的发生和发展。为此,基于主动控制方法,采用密度修正的SST kω湍流模型和Zwart Gerber Belamri空化模型,数值研究射流参数对于绕NACA66(MOD)水翼云空化的流动特性影响规律。根据正交设计方法,在来流雷诺数Re为5.07×105、攻角α为8°、空化数σ为0.83工况下,针对由不同射流参数组合而成的16组射流结构,评估了射流位置、射流角度和射流流量对绕水翼流场空化特性和水动力特性的影响,并获得最优射流特征参数。结果表明,射流位置对空化流动抑制影响最大,而射流角度对水动力学性能影响最大。采用最佳射流特征参数将使水翼空化流场中的时均无量纲空穴面积降低46.57%,时均升阻比提高5.59%。此时,顺来流方向的射流与向前缘发展的回射流碰撞并形成强烈的掺混,消耗了回射流的动量,从而阻碍了回射流继续向水翼前缘移动,极大地削弱了附着型空化的失稳脱落。

水介质对超声空蚀纳米生成物形貌的影响

为探究水介质下超声空蚀纳米结构的生成机制,研究不同水介质条件下超声空蚀纳米生成物的形貌特征。利用超声振动空蚀实验装置,在4种不同水介质中分别对45钢样品进行超声空蚀实验,通过激光共聚焦显微镜、扫描电子显微镜对实验后样品表面空蚀纳米生成物形貌进行分析。结果表明:45钢在不同水介质中空蚀生成的纳米微结构有很大差异;在去离子水和Na Cl溶液中空蚀坑环状区域纳米结构呈现为不规则絮状结构,在自来水和Na_(2)SO_(4)溶液中生成的空蚀坑周围形成了纳米多层片状结构;在自来水中,随着超声时间的增加,纳米单层片状结构先是长度方向尺寸增大,后逐渐叠加成纳米多层片状结构,总厚度增大。45钢在自来水中超声空蚀生成的纳米多层片状结构的尺寸,与实验时间和介质中离子有关,源于空蚀-腐蚀耦合作用产生;自来水中的SO_(4)^(2-)等离子也为片状纳米层间的组装起到促进作用。

湍流模型在轴流泵性能预测中的应用与评价

评价不同湍流模型在轴流泵性能预测中的应用.分别采用标准κ-ε模型、RNGκ-ε模型、SST模型以及基于滤波器的湍流模型(FBM)数值模拟了比转速为600的轴流泵内部流动;计算了其扬程、扭矩、效率,并与实验值进行对比;分析了4种模型计算的轴流泵流场中的压力、速度分布.结果表明,在最优工况附近,4种湍流模型都能较精确地预测轴流泵的外特性;在非设计工况下,标准κ-ε模型、RNGκ-ε模型、SST模型预测的外特性与实验值相差较大,FBM模型则可以大幅度提高非设计工况的预测精度.

云状空化非定常脱落机理的数值与实验研究

结合数值计算和实验技术研究了云状空化的非定常脱落机理.实验采用高速录像技术观察了绕Clark-y型水翼云状空化形态随时间的变化.数值计算采用了汽-液两相的当地均相流模型,湍流封闭采用了一种修正的RNG k-ε方程,利用商业软件的二次开发技术,引入了一种与空化区域水汽相密度相关的系数,对湍流模型进行了修正.计算和实验结果均表明:云状空化尾部存在着准周期性的涡状空化团的脱落;局部压强的增加是引起空穴断裂进而脱落的直接原因;压强升高是由于近壁处的反向射流引起的;空穴尾部的大规模的旋涡运动引起的近壁处的逆压梯度是引起反向射流的主要原因.

绕水翼空化非定常动力特性的时频分析

为了解绕水翼附着空化的流体动力特性,用实验方法研究了绕水翼的空化流动现象。实验在空化水洞中完成,采用高速摄像技术观测了不同空化阶段的空穴形态,并测量了水翼所受的升阻力。利用时频分析中的Choi-Williams变换和小波变换对水翼升力信号进行了分析处理,得到了水翼升力信号在不同空化阶段的时频特征。结果表明:在不同的空化阶段,对应于各种不同的空化形态,其流体动力的频谱特性也表现了不同的特点。在没有空化产生时,水翼升力的时频无规则,升力随时间的变化不存在周期性;在片状空化阶段,升力信号变化的频率随着空化数的减小而减小;在云状空化阶段,空穴波动增强,升力信号的周期性更加显著,而此时频率基本不随时间和空化数变化。

静止水下气泡运动特性的测试与分析

该文用高速摄影对稳定状态静止水下气泡生成和运动形态进行分析,详细讨论了气泡的动力理论特性。运用数字图像处理技术,对高速摄影图片的像素进行灰度归一化处理及二进制转化,通过对气泡质心运动的跟踪来获得其运动特性,并对所得数据进行编程处理分析,得到气泡运动轨迹。同时,结合Stokes和卡门涡理论分析,得到稳定状态下不同尺寸单个气泡的速度变化规律,运动轨迹规律等各种运动特性,并将实验结果与理论进行比较分析来判断其可行性。对稳定状态下的气泡研究可以为更深入的研究有扰动下的气泡复杂性提供基础和依据。

紫坪铺坝下游过饱和溶解气体原型观测研究

在总结国内外关于水电站大坝下游总溶解气体(TDG)过饱和问题的研究现状的基础上,对紫坪铺坝下游河段的过饱和气体进行了原型观测,指出下泄流量与下游TDG饱和度有着较好的相关关系;河道水深是影响过饱和气体消减速率的重要因素;在同样单宽流量下,含沙水体比清水有更高的TDG饱和度。这一研究为更深入的开展高坝下游过饱和溶解气体的产生及消减过程理论研究提供了依据,对高坝下游水生生物保护具有重要作用。

表面张力对单空泡运动特性的影响

本文利用高速摄影技术，在摄像及电子计算机的辅助下，研究了在５种不同的表面张力（液体－空气）液体中由电火花放电所造成的空泡膨胀及收缩运动过程，记录、分析、计算了空泡的半径Ｒ．泡壁速度Ｒ及加速度Ｒ随时间的变化．结果表明：表面张力加速了空泡的收缩过程，对其膨胀过程则起了延缓作用，通过实验给出了空泡膨胀时间与收缩时间的比值．一般说来，在空泡溃灭以前，表面张力愈小的液体中，空泡泡壁的速度最大值愈大、泡壁的加速度通常具有３个极值，其最大值可达１０４ｍ／ｓ２量级，这可能是空泡在收缩过程中泡壁失稳及溃灭时产生强大的溃灭冲击压强的重要原因之一．

修正的RNG κ-ε模型在云状空化流动计算中的应用评价

基于实验结果评价了一种用密度函数修正的RNGκ-ε湍流模型在云状空化流动计算中的应用.采用不同的修正系数,分别计算了绕Clark-y型水翼云状空化流动,获得了随时间变化的空化形态和升、阻力等流场及动力特性.通过与实验结果的对比表明,修正后的模型可以更准确地捕捉云状空化区域的空穴形态和空泡脱落的非定常细节;密度函数中指数n的选取对计算所得的空穴长度和升阻力均有影响,然而对流场动力特性的主要频谱分布影响不明显.

丁坝冲刷坑及下游回流区流场和紊动特性试验研究

通过超声多普勒测速仪NDV对已形成冲刷坑的情况下的丁坝流场和紊动动能进行细致的三维测量,结果表明,冲刷坑的存在使得回流范围比平底情况有所减小,较强的紊动动能主要分布在坝头和冲刷坑内,其中以坝头处水流分离区紊动动能最为强烈,主回流区交界处次之。冲刷坑的存在也使得丁坝后回流区的水流和紊动动能分布有较大调整。

超空泡航行体尾部流体动力特性试验研究

在水洞中采用前支撑方式模型进行了通气超空泡试验,对不同的超空泡形态下超空泡航行体尾部阻力系数、升力系数及俯仰力矩系数的变化规律进行了研究,并对航行体有无攻角情况下的尾部流体特性进行了比较,获得了攻角对尾部流体动力特性的影响。研究表明,在空泡开始包裹到尾部天平时,随着空泡形态的增长,尾部阻力系数迅速下降,而升力系数和俯仰力矩系数则迅速上升。当空泡将航行体上表面包裹,而下表面沾湿时,阻力系数减小趋势变平缓,而升力系数和俯仰力矩系数则均到达峰值。当空泡完全包裹航行体时,升力系数和俯仰力矩系数迅速回落至零值附近,此时阻力系数在零值附近变化不大。攻角1度情况下的航行体尾部阻力系数减小幅度与无攻角时相比明显降低,最大升力系数和俯仰力矩系数均远大于无攻角情况。

空化器线形与超空泡减阻效果关系研究

利用商业CFD软件Fluent6.0对空化器线形与超空泡形态的关系及其阻力特性进行了数值仿真研究,详细分析了影响超空泡航行体减阻效果的因素和有效控制超空泡形态进行减阻的方法,为优化超空泡形态提供了初步的理论参考依据.仿真与试验结果符合较好.

空化形成机理和比尺效应

高速水流容易发生空化,为进一步研究空化的形成机理和影响因素。对空化形成机理和液体粘性、表面张力、气核状况等影响因素的最新研究成果进行了综合分析。水流空化试验中存在比尺效应,指出并建立了空化比尺效应的经验公式。对空化机理的研究还有待进一步深入。

绕水翼空化的发展及其涡量场特性分析

为了解空化发展与流场中涡量变化的关系,利用数字式粒子图像测速(DPIV)系统,并辅以高速摄像,对绕水翼流动进行了观测.结果表明:空化的发展对整个流场的涡量变化起决定作用.无论在空化还是无空化流场中,涡量主要集中在水翼后部的剪切层所在区域,并形成涡带;随着空化数的降低,空化区域的流场混合更为均匀,从而使涡量峰值逐渐减小,同时下涡带的起始位置向后推移;在云状空化阶段,涡量聚集区由涡带转化为大涡量团的分散分布,而且影响区域明显扩大.

绕水翼超空化流动形态与速度分布

为揭示超空化流场结构特性,利用高速全流场显示技术,观察了绕hydronautics水翼的超空化流动形态,并利用数字粒子图像测速仪(DPIV)测量了其速度分布.在测量空穴内部流速分布时,采用空化流场中的空化泡作为示踪粒子来显示流动结构.结果表明:随着空化数的降低,超空化流动显现出了明显的阶段特征,其中水汽混合相和汽相的分布决定了空化区域的形态与流速分布;空化区和主流区的汽液交界面处存在着较大的速度梯度;低速分布区域随着空化数的降低由水翼吸力面中后部向水翼下游移动;在空化区域内部,水汽混合区的速度相对较低,而汽相区则与主流区有着相近的速度分布.

绕水翼空化流动速度分布的DPIV测量与分析

利用数字式粒子图像测速(DPIV)系统,对绕Hydronautics水翼流场的时均速度分布进行了测量。结果表明:随着空化数的降低,空化结构的发展决定了整个流场的速度分布;低速高脉动区域的范围基本上对应于空化区域;空化区域核心处的最低速度分布变得更为均匀,并在向下游移动的过程中影响范围逐渐变小;水翼后部主流区速度分布经历了一个均匀—震荡—逐渐均匀的发展过程;在超空化阶段,水翼吸力面前缘相对应的空化区域与主流区有相近的速度分布,而其它空化区域仍为低速区。

空化模型在非定常空化流动计算的应用评价与分析

文章基于试验观测数据评价了Kubota与Singhal两种空化模型在非定常云状空化流动数值模拟中的应用。采用商业软件的二次开发技术将两种空化模型引入了计算软件,针对绕Clark-Y水翼的云状空化流动进行数值计算,并与水洞试验结果进行了对比。结果表明,两种空化模型计算的云状空化阶段的流场时均速度分布以及涡量分布具有明显的不同。采用Singhal空化模型可以得到和试验观测更加相近的空化旋涡区与空泡云的旋涡分离的脱落形式。