斜盘式轴向柱塞泵空化特性分析

针对斜盘式轴向柱塞泵的空化现象,建立了斜盘式轴向柱塞泵全流域模型,采用计算流体力学方法研究了全流域空化特性分布,分析了排油口负载压力、缸体转速和斜盘倾角等工况参数对全流域空化特性的影响规律。研究表明:空化主要发生在吸油区的吸油口、配流盘和柱塞腔区域,空化随气相体积分数增大而加重;排油口负载压力由10 MPa增至30 MPa,吸油口、配流盘和柱塞腔气相体积分数峰值分别由6.28%增至6.68%、5.91%增至7.13%、10.03%增至11.23%;缸体转速由2 200 r/min增至3 000 r/min,吸油口、配流盘和柱塞腔气相体积分数峰值分别由6.39%增至6.41%、6.26%增至10.54%、7.13%增至10.16%;斜盘倾角由3.64°增至5.64°,吸油口、配流盘和柱塞腔气相体积分数峰值分别由6.34%增至6.41%、14.7%降低至13.9%、10.16%增至11.66%。斜盘式轴向柱塞泵在实际设计中,排油口负载压力、缸体转速和斜盘倾角的取值在合理范围内越低越好,斜盘倾角取值存在最优区间。

新型内藏式文丘里管空化发生器空化特性

为解决工业实际应用中串联文丘里管只有单级发挥作用,而并联文丘里管空间占用大且空化性能不佳的问题。提出了一种新型内藏式文丘里管,并采用数值模拟的方法针对该结构的空化特性进行研究,研究了入口压力、内部小型文丘里管入口角度、出口角度、喉径与管径比、喉径与喉长比等参数对其空化性能的影响,研究结果表明:随着入口压力的升高,管内空化发生面积逐渐增大,当压力达到0.7 MPa时,文丘里管内的空化性能达到最大;通过对内部小型文丘里管的不同结构参数研究确定,当入口角度为40°,出口角度为18°,喉径与管径比为0.6,喉径与喉长比为2时,新型内藏式文丘里管的空化性能达到最大。该研究可为新型内藏式文丘里管设计及其应用提供一定参考。

新型低速大扭矩内曲线柱塞泵空化特性分析

为了研究一种新型低速大扭矩内曲线柱塞泵的内流域空化特性,建立了内曲线柱塞泵的配流体内流域模型,通过CFD流体仿真对配流体流域的空化分布和产生进行研究。分析了不同工况参数对配流体流域空化特性的影响。研究表明:空化主要发生在排油单向阀阀口和高速开关阀阀口,气相体积分数直接反应空化的剧烈程度,泵轴转速和负载压力对于空化的影响明显,但过低的吸油压力会导致柱塞发生吸空。通过增大流道局部内径和缩小流道长度两种不同方式对配流体内流域结构进行优化,以此减小油液流速,进而削弱空化现象,优化方式较好。

西津二线船闸阀门段空化特性及抑制效果

针对船闸阀门段空化问题,以新建的西津二线船闸为例开展原型观测研究,观测表明:充泄水阀门采用设计阶段阀门模型推荐的门楣体型,原型中实现了门楣自然通气,充泄水阀门双边开启最大通气量分别为0.11、0.17 m^(3)/s。门楣通气抑制阀门段空化效果显著,整个阀门开启阶段,闸顶未听见不通气存在的明显的空化泡溃灭声及雷鸣声;与不通气相比,门楣通气后充泄水阀门双边开启过程中空化噪声强度平均降低60%、82%;充泄水过程中,闸顶声级计在开阀期间所采集的平均噪声分别为68、79 dB;门楣通气后,阀门吊杆振动得到明显改善。防空化措施能够有效保护阀门及阀门段廊道免受空蚀侵害,保障船闸安全高效运行。

航行背压对超高速水下航体动力系统空化特性影响规律分析

为揭示水深变化带来的航行背压差异对水下航体动力系统空化特性的影响规律,建立了航体-喷水推进泵组成的全流域数值平台,并以核心的旋转叶轮区域为对象进行了数值方法校核,结合旋转坐标系下的相对涡量输运理论对不同巡航深度下的动力系统空化实施了分析研究。结果表明:随着航行背压的增加,相较于航行背压0.4pr,b,航体动力系统扬程、效率、耗功、推力在0.4pr,b~2.0p_(r,b)内分别下降5.6%,1.7%,4.5%,6.9%(pr,b为额定航行背压);基于涡量输运理论揭示叶轮流道内的空化特性与涡量分布呈强相关性,辐射项在动力系统全流场涡量变化中均有体现,拉伸项对叶片前缘空化的产生起主导作用,随后斜压项可有效捕捉空化边界,而扭转项可有效捕捉空化尾迹;动力系统内的瞬时压力脉动、叶轮轴向力和径向力与航行背压呈负相关,不同时刻下拉伸项和斜压项基本不发生变化,而辐射项和扭转项展现涡团在叶片区的聚集与脱落趋势。

基于能量损失模型的轴流泵空化特性研究

以比转速为1500的轴流泵为研究对象,采用SST k-ω湍流模型和ZGB空化模型,基于熵产理论,开展了轴流泵空化特性及能量损失特性研究。数值模拟结果表明:基于ZGB空化模型,轴流泵的临界汽蚀余量为3.7 m;气泡均最先出现在叶片进口边的背面,空化越严重,空泡分布范围越大,严重时充满整个叶轮通道;深度空化的总熵产损失是无空化的1.22倍,叶轮内脉动熵产损失最大,时均熵产损失最小,高损失区域主要分布在叶片表面和尾迹附近。研究成果可为设计低能耗、空化性能优异的旋转机械提供参考。

基于空化特性的高速轴向柱塞泵配流盘优化设计

以某型号高速轴向柱塞泵为研究对象,搭建其带空化模块的CFD数值仿真模型,并以此为基础,对柱塞泵在旋转过程中的空化情况进行分析。结果表明:空化主要发生在柱塞腔内,充液率不足及射流角过大是发生空化的主要原因。针对空化的产生机制,利用仿真数据与理论数据相结合的方法,对配流盘开口角度进行优化。根据流场情况,提出一种两端具有一定斜度的配流盘结构,并对该结构进行优化。在配流盘开口角度和结构优化后,柱塞腔内的整体空化程度下降了74.2%,对空化具有明显的抑制效果。

典型截止节流阀空化特性分析

截止节流阀是制冷循环中重要的控制元件,依靠阀芯及阀体的运动从而改变流束截面达到节流的目的。截止节流阀在运行过程中阀内容易出现空化现象,引起阀体及阀芯的震动产生噪声,严重影响阀门的工作效率及使用寿命。因此研究截止节流阀内流场空化特性意义重大。文章基于CFD研究了阀芯位置、入口压力、入口流速对截止节流阀内部流场的影响,通过数值计算得出内部流场的压力分布、空化分布、流速分布。研究结果表明:随着阀座与阀芯之间距离的增加,空化程度减弱;随着入口压力的增大,压降增大,阀内的最大体积分数从0.7增大到0.9,空化区域扩大,空化程度愈发强烈。在不同入口流速的工况下阀内空化区域主要分布于阀座与阀芯附近,且入口流速增大,空化区域扩大,空化程度更剧烈。

大型立式轴流泵装置空化特性数值模拟

为研究大型立式轴流泵的空化特性,基于欧拉-欧拉多相流模型中的Mixture混合模型,采用Rayleigh-Plesset空化模型研究5个不同工况下大型立式轴流泵叶片背面空泡演化特征,分析叶片背面空泡面积占比与空化余量的关系,并基于滑移网格技术,利用快速傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT)分析设计工况下4种不同空化余量叶片进出口压力脉动规律.结果表明:小流量工况下空泡初生于叶片进口和轮缘侧,呈三角形分布,随着流量增大,空泡沿轮缘侧向叶片出口偏移,大流量工况下初生空泡在压力面进口,随着空化余量降低,空泡均向叶轮出口及轮毂侧扩散;水泵装置效率下降1%时,不同流量下的空泡面积不同,设计工况下空泡面积最大,与设计工况差距越大则空泡面积越小;叶片空泡分布面积比临界值可作为判别大型立式轴流泵临界空化余量的依据,超过临界值后,空泡面积增长减缓,但效率急速下降;叶轮进出口最大压力脉动幅值先上升后下降,其最大幅值与空泡面积临界值对应.

喷水推进轴流泵的水力设计与空化特性分析

基于先进的叶片设计方法,本文采用NREC软件对喷水推进轴流泵(包括一排动叶和一排静叶)进行模型设计,进而采用标准k-ε湍流模型和混合多相流模型对其空化特性进行数值模拟,并借助“Schnerr Sauer”空化模型来探究空化导致扬程下降的机理。结果表明,随着有效汽蚀余量的减小,空化首先发生在叶轮进口端附近,然后向叶轮出口端、轮毂及相邻叶片方向扩展,其水汽混合混乱,反向回流而产生旋涡。另外,本文还研究了与泵内流场非线性耦合的叶片几何参数(叶片安装角、叶片拱度和叶片厚度等)对空化的影响规律。结果表明,叶片安装角减小或叶片拱度增加,空化面积将随之减小,这提高了喷水推进泵的抗空化能力,而叶片厚度对其性能影响不大。

离心泵内部空化特性的CFD模拟

基于ANSYS CFX软件应用标准k-ε湍流模型、均质多相模型和Rayleigh-Plesset方程,对一比转数为94的离心泵在不同工况下其内部的空化特性进行数值模拟.根据模拟结果预测了模型泵无空化时的能量特性和发生空化时的空化性能,分析了不同空化状态下叶轮中间流面内的空泡分布和叶片中间流线上的载荷特性,并与试验结果进行对比.结果表明:预测结果具有一定的精度,模型泵在3个工况下空化余量的绝对误差分别为0.25,0.29和0.06 m.流场分析表明:随着进口总压的降低,空泡首先在叶片背面进口边附近产生,然后沿流线向叶轮出口扩散,并随着流道过流面积的增加向叶片工作面扩展;与其他叶片相比,正对蜗壳隔舌叶片中间流线上的载荷最小.随着泵空化程度的加剧,除正对蜗壳隔舌的叶片外,其余叶片上相对位置为0.35～0.80处的载荷明显增加,说明空化对叶片载荷有较大的影响.

基于自激振荡脉冲效应的雾化喷嘴出口流道空化特性研究

喷嘴结构及射流运动参数对液体空化流动状态有重要影响。基于空化泡溃灭的雾化机理和自激振荡脉冲喷嘴出口流道空化过程,分析空化效应对自激振荡脉冲射流雾化效果的影响。依据自激振荡脉冲雾化喷嘴结构,分析射流来流速度和脉动压力对喷嘴出口流道空化效应的影响,提出利用来流雷诺数和脉动特征值表征喷嘴出口流道空化程度,并根据自激振荡脉冲喷嘴有限元分析得到喷嘴出口流道较好空化状态的来流雷诺数和喷嘴腔室长径比。研究结果表明：当来流雷诺数在2.14×10~5~3.05×10~5内逐渐增大时,自激振荡脉冲雾化喷嘴出口流道液相体积分数先减小后增大,相应的空化程度先增大后减小。雷诺数在2.44×10~5~2.75×10~5内可以使喷嘴出口流道形成较好空化效应,尤其在2.44×10~5附近时喷嘴出口流道出现最好的空化状态;脉动特征值与喷嘴出口流道处脉动压力幅值差成正比,随着自激振荡脉冲雾化喷嘴腔室长径比增大,脉动压力幅值差值先减小后增大。当喷嘴腔室长径比为0.60~0.70时,喷嘴出口流道空化状态较好。计算结果为自激振荡脉冲射流雾化喷嘴设计提供了理论依据。

泵喷推进器空化特性数值分析

利用基于Rayleigh-Plesset方程均质多相模型和滑移网格技术,对某泵喷推进器进行了三维全通道定常湍流计算,得到了其在空化条件下的性能特征.分析了转速、空泡数和进流速度对泵喷推进器的空化特性的影响.计算结果表明,泵喷推进器叶片发生空化时,推进器的推力和转矩明显下降,进而引起敞水效率的降低且降低幅度达15%以上;同一空化数下,随着转速的增加,泵喷推进器叶片的空化现象趋于明显;同一转速下,空化数越小,空化现象越显著,当空化数大于某一个特定值时,叶片的空化现象消失.

发动机冷却水泵空化特性的数值模拟与改进

发动机冷却水泵的空化破坏是缩短汽车冷却系统寿命、产生振动噪声等危害的关键因素.为了提高发动机冷却水泵的抗汽蚀性能,以时均N-S方程作为基本控制方程,采用标准k-ε双方程湍流模型及多相流模型,利用CFX流体计算软件模拟了发动机冷却水泵内部的三维湍流,并观察叶轮内部空化流场的分布.通过试验对比验证,水泵在285,L/min设计流量下扬程为6.1,m,远远低于常温下的数值模拟扬程,说明该泵在实际运行工况下已发生严重空化;在85,℃下,模型泵试验汽蚀余量为9.8,m,与数值计算结果基本一致,说明数值计算结果是可靠的.并由此提出了两种减缓发动机冷却水泵发生空化的有效方法,两种方案均能较好改善泵的空化性能,且减少叶片数方案抗汽蚀性能更优.

跨声速运动对射弹阻力及空化特性的影响

为研究在跨声速运动过程中超空泡射弹的流体动力特性和流场的空化情况,基于流体体积分数多相流模型、Schnerr-Sauer空化模型、Realizable k-ε湍流模型、Tait液体状态方程和运动框架模型构建了可压缩超空化流场的数值模型,通过与文献[11]试验结果进行对比,完成模型验证,采用数值方法模拟在马赫数为0.202-1.281速度范围内射弹的外流场。研究结果显示：跨声速运动过程中超空泡射弹的阻力系数与流场驻点的密度峰值有关,随速度的升高而显著增大;激波对弹体附近超空泡的形态和尺度有显著的影响,亚声速工况下超空泡尺寸与理论值接近并且受速度的影响很小,超声速工况下超空泡的尺寸随速度的增加而大幅度减小。研究结果对超空泡射弹的外形设计和弹道预报有参考价值。

吸油压力对外啮合齿轮泵空化特性的影响

为了研究高海拔和高空作业环境对齿轮泵工作性能的影响,分析了吸油压力对外啮合齿轮泵空化特性的影响规律。采用数值模拟和可视化试验的方法,针对农业机械液压系统中常用的渐开线外啮合齿轮泵进行分析研究。分别在0. 05、0. 10、0. 15 MPa的吸油压力下,数值模拟该泵内部流场的气体体积分数分布;利用高速摄像设备,试验观测记录该泵内的实际流动状态、气泡大小、气泡数量及空化程度等。结果表明:在3种不同的吸油压力下,泵内的油液均会出现不同程度的空化现象,空化强度由大到小依次表现为漩涡流、雾化流、气泡;随着吸油压力的升高,泵内油液中出现的气泡数目逐渐减少、气泡体积逐渐减小,泵内油液的最大气体体积分数和空化程度逐渐减小,使得泵内油液的流动状态越来越平稳,进而改善了齿轮泵出口流量的连续性和稳定性。

离心泵内流场空化特性的数值模拟研究

针对离心泵内流场特性分析困难的问题,对离心泵流场数值模拟的几何模型建立、模型网格划分和边界条件设定进行了研究,采用计算流体力学方法,获取了在敞水性能条件下离心泵的扬程-流量、效率-流量的变化关系;结合Zwart空化模型,重点对不同有效汽蚀余量时离心泵的空化流场进行了数值模拟,得到了离心泵的内部流线和空泡分布的情况,并与该离心泵机组进行了性能测试实验,最后在此基础之上进行了对比分析。研究结果表明,所采用的数值模拟方法和空化模型合理有效,此结果可为进一步开展离心泵空化监测技术研究提供借鉴。

消能孔板空化特性的数值模拟

采用大涡模拟方法对消能孔板流场及空化现象进行了数值模拟 ,研究分析了消能孔板空化特性 ,计算所得的压力分布及空化特性与减压模型实验结果进行了比较 ,二者符合良好。计算结果表明 ,采用大涡模拟方法模拟空化是可行的。由于数值模拟不仅可以给出详细的流场特征 ,而且不受比尺效应影响 ,故可成为研究空化问题的有力手段。

竖井进流水平旋流式内消能工的空化特性

竖井进流水平旋流式内消能工是一种泄流能力强、消能率高、可节省总工程投资的新型消能工。运用这种新型消能工将施工导流洞改建为永久泄洪洞是解决高坝水力设计中泄水建筑物的安全和消能问题的新途径。本文对该种消能工的空化特性进行了试验研究,给出了旋流器收缩比为0.35时的空化基本特性,并提出在起旋器升坎后直接补气是减免起旋器升坎后空化的一项有效措施。

探究串联文丘里管空化特性

为了研究串联文丘里管的空化特性,采用数值模拟方法,建立文丘里管空化模型与压力损失模型,基于入口压力和水温变化进行单级、多级串联文丘里管内空化效果演变过程的研究;以平均气含率为空化效果表征,得到文丘里管串联级数与空化特性的关系,得到出口锥角与文丘里管的匹配关系,得到单级和多级串联之间空化效果的演变规律。提出了以空化效应的介质(水)的性质——电导率为空化实验表征,验证串联文丘里管的空化特性。实验结果表明:实验压力下(<1 MPa)单级文丘里管水样的电导率大于串联管,随着空化时间的增加水样的电导率增加;电导率可以作为表征空化效果参数之一。为串联文丘里管空化与压力、温度的关系提供指导,为空化效果的实验表征提供新的方法。