平头孔板的初生空化特性定量分析

随着现代水利水电工程的日益优化创新,高坝设计中需要解决的重大技术瓶颈是消杀高坝泄放洪流所携带的超大能量。利用水流的突扩、突缩消能的孔板制造简便,并且消能效率高。孔板的抗空化特性跟它的最小壁面压强系数大小紧密相关,其作为孔板设计制造的一个关键性指标。通过数值模拟和物理模型试验的方法,研究了平头孔板初生空化数与相关体型要素和水力要素之间的关系,并得到了经验表达式。研究结果表明,平头孔板初生空化数的经验表达式与实际吻合较好,为孔板的工程应用提供了参考。

模型水轮机初生空化的特征谱提取识别方法

目前水轮机模型初生空化识别方法仍采用人工识别法,这种方法获得结果的周期较长、主观性强、准确度及效率都较低。针对于此,对水轮机模型初生空化识别方法进行了研究与优化创新,提出了一种基于炮声谱与特殊脉动谱特征提取的水轮机空化智能识别方法,即多态泡音智能识别方法 PSVFR。该方法依据自主开发的水轮机空化噪声多态算法MTCSPC,对数据进行处理,通过采集初生空化音态特征向量,建立矩阵模型,与样本数据库中的定性矩阵进行特征比对、计算、判断,以帮助机器完成对模型水轮机空化噪声的学习和识别。与现有技术相比,该方法能够提高机器对水轮机初生空化现象的识别准确度和识别效率,识别效率可达80%。

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，

确定模型水泵水轮机水泵工况叶片初生空化的声学方法研究

目前,模型水泵水轮机水泵工况下转轮叶片压力面的初生空化的判断,还停留在人工甄别的阶段,导致判断结果因人而异。本文提出一种声学方法来判断水泵工况下模型水泵水轮机转轮叶片初生空化的发生。利用基于水听器的测试系统,提取并分析空化噪声的特征量来判断初生空化何时发生。通过实验验证了该方法的合理性和准确性,因此,该方法对模型水泵水轮机转轮叶片初生空化的判断摆脱人工甄别具有重要意义。

绕不同头型回转体初生空化的实验研究

为了研究绕不同头型回转体初生空穴的形成、发展过程和流场特性,采用流动显示技术分别观察了绕平头和锥头回转体初生空化的形态,并应用粒子图像测速系统(PIV)测量了相应工况下的速度分布。结果表明,绕回转体的头型对初生空化数和空穴形态有重大影响。实验中平头回转体的初生空化数为1.2,而45°锥角头型的初生空化数则为0.9。绕回转体的初生空穴形成于回转体肩部稍靠后的位置且没有附着在其表面,呈游离型发夹状,同时绕平头回转体的初生空穴的尺度较大,其初生位置距离肩部及回转体的壁面均较远。流场测试结果表明,空化初生和绕回转体头部流场的旋涡强度有关。与锥头回转体相比,同一雷诺数条件下,绕平头回转体的分离涡尺度较大、边界层离壁面较远、高涡量区域较大且离壁面较远,这是造成两种头型具有不同初生空化特性的主要原因。

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．

关于初生空化试验技术的规范

针对初生空化研究中的比尺效应问题,提出了规范试验技术的重要性。其中特别讨论了以“零抗拉强度”和对来流紊动影响进行修正的规范,它对于改善初生空化试验成果的互比性具有决定性的作用。

三角形突体初生空化与空蚀的试验研究

通过不同高度与不同边坡组合的等腰三角形实体初生空化试验和突体后水泥砂浆材料的初生空蚀试验．量测了初生空化数、初生空蚀数和空蚀麻点率．并预测了５０ｍ／ｓ。流速级时初生空化数和砂浆表面出现麻点的初生空蚀教．得到的预测值与已有的原型观测值比较，基本一致，为拟定相应的不平整度控制标准提供了依据。

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。

验证圆柱形头体初生空化的缩尺效应

用'比较法'测试的一些典型的圆柱形头体的初生空化数,证实了在初生空化的试验中用该法确定液体的'零抗拉强度'是可行的.验证了A. KELER博士推荐的描述初生空化缩尺效应的基本经验公式:σ=σ0(1+(v0/V)2)

梢涡的初生空化及其发生位置

梢涡的初生空化及其位置的判断是一个非常复杂的问题。这是因为人们对近梢迁移涡的结构还不甚清楚,对迁移涡导致空化的条件还缺乏足够的认识。本文根据迁移涡结构的分析,讨论了近梢的涡心半径、涡心旋度及紊流粘滞系数,从而提出了梢涡初生空化的理论分析,这一分析包括了对梢涡初生空化位置的预测。分析表明,梢涡的初生空化数σ_t与雷诺数R_e、攻角α关系密切。

初生空化数公式的优化研究

初生空化数是衡量过流体型是否发生空化的判别标准。传统的托马公式认为液流负压值达到液体饱和蒸汽压时即发生空化。近来研究表明,气核和液体抗拉强度等对初生空化有重要影响。有学者认为把托马公式中的液体饱和蒸汽压替换为临界压强更为合理。本文在已有研究的基础上,对空化初生机理和影响空化初生的因素进行分析。认为空化仅是气核克服表面张力和液体饱和蒸汽压膨胀而形成的,并没有克服液体抗拉强度,且在空化源附近的液体几乎不具有抗拉强度,并基于此提出新的初生空化数公式。

初生空化的模型数据应用到原型上的问题

初生空化数由韦伯数W和空泡相对膨胀速度M所组成。在分析了中、德联合对比试验数据的基础上,发现W和M的关系呈一条对数直线。由模型试验得到直线方程后,再根据原型的空化数决定韦伯数,从直线上求得M值,有了W和M,就可得原型的初生空化数,从而判断在原型水流中是否发生空化。

绕平头回转体初生空化的实验与数值研究

综合应用实验与数值方法研究了绕平头回转体的初生空化。采用流动显示技术观察了绕平头回转体初生空穴的发展历程;数值计算采用一种RANS/LES的混合局部时均化湍流模型(PANS)。研究结果表明:初生空穴均发生在绕平头回转体的肩部分离旋涡区域,其形态呈和三维旋涡结构相关的纺锤状;伴随流场中旋涡运动,空穴自身也作着旋转运动且旋转轴即为纺锤状的长轴;绕平头回转体的初生空穴向下游运动的速度远小于主流速度。实验及数值结果均表明,从空化初生到溃灭的过程中,游离空穴随着主流向下游运动,在该研究中运动速度仅约为主流速度的10%-40%。

验证用于初生空化数检测的比较法

该文作者在若干年前提出了用于初生空化试验的"比较法"的概念。方法的原理是:当初生空化数和消失空化数之差达到最小时,试验液体的抗拉强度就非常接近于零。由此;可以在不用专业仪器的情况下,检测不受液体抗拉强度影响的初生空化数。近年来的的研究成果证实了该"比较法"与使用检测仪器得到的成果具有相同的效果,进一步地验证和讨论了它的合理性。

初生空化与液体抗拉强度的关系

自1983年开始以液体的抗拉强度作为其空化临界压强研究初生空化的比尺效应以来,该方法已得到进一步的应用和完善。本文就研究中遇到的一些问题,如关于空化灵敏度仪的校正,“零抗拉强度”的概念,试验设备中液体抗拉强度的动态变化以及在空化试验中使用该方法的技术和意义等作详细的阐述。

水工建筑物初生空化数及其比尺效应研究进展

水工建筑物结构水力设计中通常涉及防空蚀设计,一般规定水流空化数σi<0.3的区域或者流速大于15 m/s的部位要进行防空蚀设计。水工建筑物不同部位结构,初生空化数不同,该值的分析一方面通过理论计算,另一方面则是通过减压模型试验,试验不可避免地存在比尺效应。对目前国内外初生空化数的计算公式加以总结,指出不同公式的优缺点及适用条件;对初生空化的比尺效应进行相应归纳,为模型试验测定初生空化数提供新的思考方法;同时总结了水工建筑物不同部位初生空化判断标准,为相应的设计研究提供具体详细的指导。

不同攻角下绕平头回转体初生空化流动特性研究

为了分析近壁面流场结构对附着型空化初生特性的影响规律,通过数值模拟方法开展不同来流攻角条件下绕平头回转体初生空化的形成及流动特性研究。采用均质两相流模型并耦合大涡模拟(LES)方法和Zwart空化模型,对绕平头回转体初生空化进行数值模拟。研究结果表明:LES方法可以较好地模拟绕平头回转体的初生空化流动,计算得到的空穴形态及其随时间的演变过程与实验结果基本一致;各攻角条件下的初生空穴均呈不规则的团泡状,不对称地分布在回转体肩部的分离涡区域内;随着攻角增大,回转体迎流区域的初生空穴分布范围逐渐减小,背流区域的初生空穴分布范围逐渐扩大;初生空穴的分布规律与时均分离涡结构紧密相关;随着攻角增大,迎流面分离涡尺度逐渐减小并向回转体头部及壁面移动,背流面分离涡尺度逐渐增大;大攻角条件下,在回转体背流面的分离再附着点附近出现二次分离现象,促使初生空化在此处形成。

绕水翼初生空化涡的实验观测

对绕2D水翼无分离流边界层内的初生空化形态进行了实验研究．采用高速摄像机观测了空化初生结构的形态,应用2D—LDV测量了空化初生时翼型周围的流动速度分布,并对实验结果进行了分析．结果表明: 绕水翼无分离边界层内,初生空化结构中空泡伴随着近壁湍流拟序结构的发生而出现,在初生空化条件下,形成空化涡结构,大量的微空泡产生于发夹涡结构中,并在涡结构的猝发过程中出现生成-长大-溃灭-反弹-再溃灭的过程．初生空化涡结构具有空泡和近壁拟序结构双重特性．

螺旋桨初生空化湍流的多相流数值模拟

同时采用修正剪切应力输运(SST)湍流模型和Baseline雷诺应力模型(RSM)求取了E779A螺旋桨在无空化状态和初生空化状态下的梢涡运动轨迹,分析了涡核最小压力系数、湍动能、轴向速度分量和涡核半径沿运动轨迹的变化,并从模拟得到的梢涡卷曲起始和梢涡涡束的角度阐述了梢涡形成机理.空化模型采用改进Sauer模型,考虑了非凝结性气核质量分数、体积分数和气泡初始半径以及湍流脉动的影响,并针对轻度、中度和重度空化面积进行了可信性校验.当空化数σ>初生空化数σi时,叶梢截面压力系数分布相对不再改变的判定准则来确定.涡核中心位于螺旋线垂向截面上最小压力点,涡核边界由湍流涡频率峰值决定.数值模拟结果表明,RSM模拟梢涡路径较修正SST湍流模型稍长、局部梢涡空化范围略大、叶梢最小压力系数和轴向速度分量要小,涡核湍动能分布更为合理.但两者模拟得到的涡核运动轨迹几乎重合,并且初生空化状态下的涡核运动轨迹、最小压力系数和轴向速度分布均与各自无空化状态下非常接近,表明了初生空化状态判定的正确性和改进数值模型对梢涡运动轨迹模拟的适用性.