泥沙性质对高速水流消失空化数的影响

消失空化数是表征高速水流空化状态的重要判别数,水流含泥沙后对消失空化数的影响引起了研究者的关注。利用自主研发的小型循环式水洞试验装置,对不同含泥沙条件下与清水介质下的水洞喉部(即空化区)消失空化数进行了试验研究。通过配制不同泥沙质量浓度、泥沙粒径、泥沙颗粒级配和泥沙矿物成分等挟沙水流,调节分流阀门降低水流流速,由动态压力数据采集系统(YE6263)实时测量空化区压强,直到压强由负压变为正压的临界压强(相应的消失空化数压强)。研究结果表明:在不同泥沙质量浓度的条件下,循环式水洞喉部的消失空化数随泥沙质量浓度的增加先增大后减小,与清水对比,表现出先促进后抑制空化的发生;在不同泥沙粒径的条件下,喉部消失空化数随粒径的增大而增大,说明泥沙粒径的增大促进了空化的提前发生;在不同泥沙级配的条件下,喉部消失空化数随小于某一粒径泥沙质量分数的增大而增大,表现出随着小于某一粒径泥沙质量分数的增大越容易发生空化;在不同泥沙矿物成分条件下,喉部消失空化数随矿物成分摩氏(Mohs)硬度的增大而增大,说明矿物成分硬度越大越促进空化的发生。

球式配流阀内空化数研究

针对配流阀吸水过程发生空化带来水压泵容积效率低的问题,作者以表征空化特征的空化数为角度,分析了影响配流阀空化数变化的主要因素,开展了配流阀吸水过程相关实验和AMESim仿真研究。结果表明,泵腔内压力变化随工况不同而变化,全工况内的实验与仿真计算所得空化数变化趋势一致。利用阀配流系统模型综合对比了柱塞直径、柱塞行程、阀座锥角、入口直径、余隙容积各特征参数对空化数的影响,得出高转速下各因素对吸水空化程度的影响规律,结果发现,阀座锥角和入口直径不影响空化初始时间,阀座锥角变小后空化程度会有波动变化;柱塞直径和行程的大小只会影响空化发生的先后,并不改变最小空化数;余隙容积增大可显著减小吸水空化发生的时间。

泄水建筑物若干体型初生空化数的合理取值

在泄水建筑物高速水流防空蚀水力设计中 ,通常用水流空化数与初生空化数对比 ,判别该部位 (或体型 )是否发生空化。关于体型的初生空化数 ,一般应通过减压试验确定 ,而在初步设计优选体型过程中 ,通常就需知其初生空化数。在前人研究成果基础上 ,通过综合分析 ,提出若干体型初生空化数 ,可供当工程不具备进行减压试验情况下 ,设计和科研人员参考。

小空化数下超空泡航行体的阻力特性试验研究

为了研究小空化数下超空泡形态航行体的阻力特性,针对带圆盘空化器头部的航行体设计加工了4种不同结构参数的航行体试验模型。并在水靶道中进行了这些模型的水下航行试验,航行体空化数接近10-4,试验中测量出航行体发射点和某点的航行速度,计算出航行体的平均空化数。数据处理后得到了航行体的平均阻力系数,分析了空化器直径、航行体长细比、空化数对航行体阻力特性的影响;还在试验数据基础上,分析了小空化下航行体的自然超空泡减阻率。结果表明:在超空泡形态下,空化数接近10-4航行体的超空泡减阻率可达98%。这个研究结果为进一步研究小空化数下航行体的水动力特性和弹道特性提供了理论参考和试验数据。

小空化数下带尾翼射弹超空泡减阻试验与数值模拟

为探究水下高速带尾翼射弹的超空泡减阻特性,利用自行研制的水下测速系统,对所设计的几种结构的带尾翼射弹模型进行了带尾翼超空泡射弹从空气入水的试验研究。通过试验数据的分析和处理,获得小空化数下带尾翼超空泡射弹的阻力系数。采用N-S方程、压力隐式算子分裂(PISO)算法、大涡模拟湍流模型和流体体积函数(VOF)方法,对绕三维带尾翼射弹非定常空泡流动进行数值模拟,计算结果与试验数据吻合较好。分析了小空化数下带尾翼射弹超空泡的减阻效果,最大减阻率可达93.1%。与普通射弹的超空泡流特性相对比,尾翼结构对超空泡射弹的阻力特性影响不大,但可以显著提高射弹运动的稳定性。

三维小空化数空泡流数值方法

采用均质平衡流空泡模型，引入基于求解液体质量份数输运方程的空泡流模型，提出新的压力密度耦合的压缩性方法和控制气液两相转换的源项，求解汽水混合介质的RANS方程和带低雷诺数修正的kε模型，实现了小空化数（σ=0．2～0．01）下水下航行体的空泡流数值模拟．得到清晰的空泡形态特征与内部结构，以及空泡长度和最大直径随空化数的变化规律，给出航行体运动阻力系数与空化数之间的变化关系．将计算结果与解析结果及实验数据进行比较表明，该方法保证了极小空化数下自然空泡流计算的稳定性与收敛性，提高了空泡形态特性的预报精度．

通气空泡流中洞壁效应对空化数和压力场影响的研究

文章在均质平衡多相流模型的基础上耦合输运方程型空化模型,通过求解混合介质的RANS方程、RNG k-ε湍流输运方程以及各相的质量输运方程,采用通用CFD软件—FLUENT数值模拟了水洞中带圆盘空化器航行体模型的定常通气空泡流动,研究了圆形截面闭式空泡水洞中洞壁效应对通气空化数和压力场的影响。得到的阻塞空化数线性正比于圆盘水洞直径比,且与三维圆盘自然空泡流的势流近似解基本一致,分析了洞壁效应作用下空化流场内的压力分布特点,并根据计算结果拟合了一定适用条件下通气空泡长度、最大直径和模型阻力系数的近似公式。

凹槽中的旋涡及初生空化数的估算

本文阐述了凹槽中旋涡形成的力学机制； 利用文献［１］ 中的结果建立了凹槽中旋涡的涡量平衡、能量平衡近似关系式； 给出了旋涡初生空化数的表达式， 它不仅和凹槽的宽深比有关， 还和参数Ｋ１ 有关（ Ｋ１ 为流道宽和槽深之比） ； 对不同的深宽比和Ｋ１ 值计算了凹槽中的旋涡参数和初生空化数， 把计算的初生空化数和已有的实测凹槽旋涡初生空化数进行了对比，

空化数与雷诺数关系的确定

采用量纲分析和试验相结合的方法探求空化数和雷诺数的关系。通过量纲分析表明,空化数和雷诺数之间有确定的函数关系。利用不同厚度、孔数和孔径的多洞孔板作为水力空化发生装置,通过对罗丹明B溶液的空化降解试验,得出了空化数与雷诺数间呈幂次关系。试验结果也验证了水力空化有降解效果。

通气空泡最小空化数影响因素数值研究

为了揭示重力效应及水洞阻塞效应对最小通气空化数的影响,本文基于两流体多相流模型和SST(Shear Stress Transport)湍流模型,考虑了水气两相间的相互作用,建立了通气空泡流三维数值仿真模型.对比研究了无界流场和水洞流场中最小通气空化数与其影响因素之间的关系.研究结果表明无界流场中的最小通气空化数随弗劳德数的增加而减小,两者呈幂函数关系;在水洞中,相同的弗劳德数条件下最小空化数随着阻塞比的增加而增加.在相同的弗劳德数区间内,最小空化数的变化幅度随阻塞比的增加而减小.

不同空化数下船用离心泵空化诱导噪声特性研究

为研究空化对船用离心泵流动诱导噪声的影响,试验分析了一台比转速ns=132.7的船用离心泵的扬程系数-空化数(ψ-σ)曲线和不同空化数下的空化诱导噪声。结果表明,随空化数减小,空化程度加剧,气泡从叶片进口边背面向叶片根部发展,空化诱导振动噪声呈先略微降低再升高的趋势,噪声能量由低频段向高频段转移;当空化数达到临界值,高阶叶频处声压峰值抬高;当空化程度十分严重时高频区域宽频带声压水平显著升高。

初生空化数比尺效应的修正

在初生空化位置写出了随流运动的球泡动力方程， 估计了方程各项在空化初生时的近似值； 以现有的实测资料为依据， 选择了能识别的气核失稳的临界半径 Ｒｃ 的大小； 给出了原型初生空化数与模型初生空化数的简单关系式； 列出了碧口水库孔板洞４ 个不同比尺减压模型的实测初生空化数， 这些模型初生空化数的值相差很大， 但由这４ 个模型初生空化数和本文给出的换算关系得到的原型初生空化数很接近， 这原型初生空化数与原型观测结果定性一致．

用空化数判定泵系统流体的空化断流

在应用计算空化数推断流体空化理论基础上，建立了重力场中的空化数计算式，结合泵系统边界条件和压力变化特点，探讨了不同工况运行时系统各部分发生流体空化（断流）的判别方法．

翼型空化起始对应空化数及尺度效应分析

[目的]水下翼型空泡数下降到某个临界值后,翼型前缘位置的压强会降低而发生空化。在模型试验研究中,模型尺度翼型难以满足实尺度翼型的雷诺数,使得空化起始对应的空化数发生变化。[方法]为此,以航速为24 kn的标准KCS船采用的NACA 0012型船舵作为参照,基于STAR-CCM+软件,运用SST k-ω湍流模型和Schnerr-Sauer (S-S)空化模型对翼型空泡特性进行数值模拟。针对不同缩尺比模型,通过改变不同攻角时的翼型环境压强来计算翼型表面流场和空泡分布,得到空化起始对应的空化数,分析尺度效应对临界空化数的影响机理。[结果]结果表明,随着模型尺度的缩小,相应攻角下的翼型临界空化数也有一定程度的减小,说明雷诺数的差异会加剧尺度效应。[结论]因此,为防止尺度效应对起始空泡数的影响,模型试验中不宜选用较小尺度的翼型。

KST水电站工程表孔溢洪道模型试验空化数分析

通过建立表孔溢洪道水工模型试验,在不同的水位下对模型进行观测,试验结果显示:将渐变段从20m增加到40m,流态在设计水位时,水流流态平顺,在校核水位时,水翅强度明显变弱;溢流堰段和抛物线段沿程水面线和压强分布正常,局部存在一定负压。通过对空化数计算得出:在设计水位1 305.00m时,沿程空化数最小,且不会发生空化空蚀破坏。

水力空化数值模拟

本文对水力空化现象及水力空化的形成进行了较为全面的综述,针对文丘里管内的空化现象进行了数值模拟,并研究了进口压力、下游恢复压力、喉部收缩率对空化效果的影响。结果表明:进口压力越大,空化效果越明显;下游恢复压力越小,空化效果越明显;喉部收缩率越大,空化效果越明显。

水电站溢洪道空化数分布及抗空蚀措施分析

水电站溢洪道的空蚀现象严重威胁其正常运行。以重庆某水电站溢洪道为研究对象,通过理论分析与物理模型试验相结合的方法,分析溢洪道底板空化数分布以及空蚀特性。在此基础上,提出了打磨边壁、增加溢洪道宽度以及采用掺气的方法来控制空蚀。从试验结果来看,采用改进方案后溢洪道内水流流态改善,空化数显著降低,可为同类工程提供借鉴与参考。

基于水流空化数的高水头岔管的优化设计

以某大型水电站的岔管为例,通过试验与计算分析相结合的方法,分别对原方案、修改方案和优化方案岔管处的水力特性进行了分析,重点研究了该处在不同体型下的水流空化数。通过对不同方案的对比分析可以看出,经过方案的修改与优化,岔管处的水力特性满足了设计要求,从而保证了岔管在最不利工况下的安全运行。

窄缝式表孔流态及水流空化数研究

高山峡谷高水头泄水建筑物的布置,需要考虑如何减免水流对河道的冲刷、倾砸岸坡及高速水流对建筑物的空化空蚀等问题。本文结合具有上述特点的某电站溢流表孔体型,选用窄缝式挑坎挑流,采用在直线段设置掺气设施的措施,较好地解决了工程问题,并对其流态及水流空化数进行了研究。试验表明,表孔体型设计合理,流态稳定,挑坎段可形成典型的窄缝流流态,并结合水流空化数对表孔的运行条件进行了优化。

基于大涡模拟方法的可压缩空化流流场数值模拟分析

针对可压缩空化流流场细节特征,对空化的回射流机制与凝结激波机制下的空化云演化过程进行大涡模拟。通过对比文献实验数据验证了可压缩空化流数值模拟方法的可靠性,并分析了空化数σ、CN空化数、St数和压力损失系数K等无量纲参数,发现数值模拟对空化流压力-速度耦合计算的准确性方面还有待进一步提升。两种空化机制情况下,涡环生长是空化云脱落后耗散过程,涡环溃灭成游离涡是耗散结果;通过大涡模拟实现两种机制下的空化模拟,对比发现回射流机制的空化的无量纲参数偏差较少,凝结激波具有一定偏差;凝结激波的功率谱密度分析发现满足-7/3标度律,回射流满足-5/3标度律。