不同湍流模型在轴流泵叶顶泄漏涡模拟中的应用与验证

为寻求一种经济、适合的湍流模型模拟轴流泵叶顶泄漏涡的结构和运动特性,该文基于ANSYS CFX软件平台,优化了六面体网格拓扑结构,比较了标准k-ε湍流模型(standard k-ε)、重正化群k-ε湍流模型(renormalization group k-ε,RNG),标准k-ω湍流模型(standard k-ω)和SST k-ω湍流模型(shear stress transport)等4种湍流模型在轴流泵叶顶泄漏涡模拟中的计算精度和叶顶泄漏涡流场特征。数值模拟和试验结果表明,在最优工况下,SST k-ω湍流模型预测外特性曲线与试验曲线吻合较好,扬程误差为4.688%,较其他3种湍流模型准确;4种湍流模型计算的叶顶泄漏涡流线、叶顶区压力场和轴面速度场分布规律相似,但RNG k-ε和SST k-ω湍流模型计算的涡卷吸较强,涡带的旋涡强度相对较大。基于旋涡强度提出了一种对叶顶泄漏涡的涡心进行识别的方法,并与高速摄影拍摄的涡带结果进行了对比,在设计流量工况和大流量工况下,发现SST k-ω湍流模型计算的叶顶泄漏涡运动轨迹与试验结果吻合度较好,验证了SST k-ω湍流模型在轴流泵叶顶泄漏涡模拟具有较好的适用性。

轴流泵叶顶泄漏涡流体动力学特性数值模拟

基于SST κ-ω湍流模型和局部优化的高质量结构化网格，对南水北凋工程天津同台测试的TJ04-ZL-02型轴流泵水力模型进行了数值计算，并探究了叶顶泄漏涡的流场结构和流体动力学特性。数值计算和试验结果表明，基于SST κ-ω湍流模型可准确地对间隙泄漏流和边界层流动进行数值模拟；叶顶泄漏涡形成的动力为叶片工作面和背面的压差，由于叶片进口边压差最大，叶顶间隙泄漏流的流速较高，随着叶片弦长系数A的逐渐增大，叶片工作面和背面之间的压差逐渐减小，间隙泄漏流的速度和泄漏涡强度均逐渐降低；IIP顶区的局部低压区主要集中在靠近压力面间隙内分离涡的旋涡区以及叶片背面下部叶顶泄漏涡区域，叶片背面局部低压区域随着叶片弦长系数A的逐渐增大，距离叶片背面的间距增大；叶片轮缘靠近叶片工作面附近的局部低压区主要是由叶顶拐角诱导的分离涡引起，而叶片下部的局部低压区主要是由叶顶泄漏涡引起，上述过程揭示了轴流泵叶顶闸隙泄漏涡的流动特性．．

轴流泵运行工况和叶顶间隙对叶顶泄漏涡轨迹的影响

采用SST k-ω湍流模型模拟和旋涡强度方法,对某一轴流泵模型泵叶轮叶顶区流场和叶顶泄漏涡轨迹进行了数值计算,分析了运行工况和叶顶间隙两个因素对轴流泵叶顶泄漏涡运动轨迹的影响.数值模拟结果表明,随着流量增大,轴流泵叶顶泄漏涡的涡核轨迹起点由叶尖向叶片翼型中部逐渐移动.随着流量的增大,叶片流道内的流动方向发生偏移,叶顶泄漏涡在主流的卷吸下,运动轨迹随之变化,涡轨迹线的斜率受叶轮内主流的影响而变大.随着叶顶间隙增大,泄漏涡的卷吸程度逐渐增强,影响范围增大,涡核的起点由叶片前缘逐渐向后缘移动,且涡核的压力逐渐降低,因此在大间隙时涡带更易出现空化现象.当叶顶间隙达到1.5 mm时,轴流泵在0.9Qd工况附近出现驼峰现象,说明叶顶泄漏涡对驼峰区不稳定流场具有重要的影响.

轴流泵叶顶泄漏涡与垂直涡空化特性

该文利用高速摄影和压力脉动测量结果,以某一模型轴流泵为研究对象,研究了轴流泵叶顶涡空化机理,探讨了不同流量、不同空化数下的叶顶空化形态及垂直空化涡发展的瞬态特性,分析了叶顶空化形态与压力脉动结果之间的关系。试验结果表明,小流量(0.6~0.8)Qopt(Qopt=365 m3/h)工况下,更易空化初生且叶顶空化形态更不稳定,随着空化数的降低,叶顶空化更加剧烈;垂直空化涡自叶顶三角形云状空化尾缘脱落,垂直于叶片压力面向相邻叶片移动,造成流道堵塞,影响泵的水力性能。随着流量的降低,垂直空化涡初生点向叶顶尾缘移动;减小空化数,其尺度与强度增大。压力脉动与空化结构图像对比表明,叶片吸力面为传感器所在圆周压力最低处。叶顶空化区为低压区范围,在大流量1.2Qopt工况下,叶顶泄漏涡涡带为狭长的低压区。随着流量与空化数的降低,叶顶泄漏涡与叶顶相连形成三角形空化云,形成较大范围的低压区。垂直空化涡的脱落使得云状空化面积减小,低压区范围减小。垂直空化涡向相邻叶片压力面移动中,与脱落的叶顶泄漏涡尾缘混合作用,使压力回升过程中产生波动。空化结构对轴流泵叶轮叶顶区压力具有重要影响。

轴流泵叶顶泄漏涡形成演化机理与涡空化分析

为了掌握轴流泵叶顶泄漏涡(TLV)的形成演化机理,评估涡形成空化条件和间隙宽度的影响,进行了轴流泵间隙泄漏流动实验和数值计算分析。通过流线涡量云图三维可视化分析,得到间隙流动特征及其涡结构,并比较分析涡初生时吸力面的速度流线、涡量和湍动能。对比了不同截面的物理量分布,并对不同空化条件下空化发展与TLV涡强度之间的关系进行了分析。研究表明:泄漏剪切带是形成TLV的主要区域,该区域的湍动能和涡量均较大,轴向主流与间隙射流形成对流,促进了涡的生成和发展,大间隙下的泄漏流速、涡强度与涡尺度更大;TLV核心区涡旋来自剪切带形成的剪切涡和周向的来流涡。在大空化数下,涡与空化分布基本一致,涡强度与空化正相关,叶顶涡空化在大间隙时延伸更远。在小空化数下,涡与空化位置不完全重合,空化形成所需要的涡强度较低,易扩展形成片状空化,间隙宽度对空化的影响较小。

基于孔坑结构的水翼叶顶泄漏涡空化控制的试验研究

叶顶泄漏流常出现在轴流式水力机械中,其复杂多尺度涡结构易引起流动损失及空化空蚀,抑制泄漏流空化有利于提升水力机械的综合性能。该文提出一种孔坑(Hole-pit)结构,孔坑位于叶顶前缘前20%弦长位置,利用被动射流孔和球形凹坑共同抑制叶顶泄漏流中的多尺度涡结构空化。试验在闭式空化水洞中进行,采用高速摄影和像素采集方法对两种不同间隙尺寸下NACA0009水翼叶顶间隙泄漏流空化进行研究。研究发现,通孔出口间隙处会产生流体失速及流动分离,产生孔分离涡(HSV)。孔坑结构可以推迟分离涡空化的初生,抑制泄漏涡空化和分离涡空化,4mm间隙的孔坑水翼对间隙泄漏流空化削弱效果比2 mm的更好。空化面积变化呈现准周期性,孔坑结构能减小平均频率,降低水力机械运行中的脉动程度,增强其稳定性能。

轴流泵叶顶泄漏涡空化的数值模拟与可视化实验研究

该文以某一等比例缩放模型泵为研究对象,采用修正的SST k-ω湍流模型和空化模型,对额定工况下轴流泵叶顶泄漏涡空化流进行了数值模拟,并与高速摄影结果进行了对比分析。探讨了叶顶区域泄漏涡空化流场结构,揭示了不同空化数下空化发生位置和空泡形态演变过程。研究结果表明,改进的数值模拟方法准确计算了叶顶区域空化流场的流动结构;轴流泵的初生空化为叶顶间隙空化和叶顶泄漏涡空化,随着空化数σ降低,叶顶泄漏涡卷吸区也出现了剪切层空化;在空化数较小工况下,沿着叶片吸力面在轴向形成空泡云,并在叶片尾缘存在周期性的空泡脱落和爆破过程,破坏了流动稳定性,并诱导产生空化噪声。

轴流泵叶顶泄漏涡及其空化的数值模拟与可视化试验

为了研究叶顶泄漏涡的三维结构及其空化特性,该文以某一轴流泵模型为研究对象,利用修正的滤波器模型(Modified Filter-based Model,MFBM)对轴流泵叶顶间隙流动进行数值模拟,并与试验进行对比。结果表明修正后的湍流模型可以很好地预测泵的水力性能和空化性能。该文通过轴向速度和湍动能分布,详细地解释了不同工况下叶顶间隙内的流场结构。利用最小张量法则,可以判别叶顶区的空化初生现象,且结果与利用最大旋涡准则预测的涡心涡量和压力分布相一致。通过叶顶区的三维涡量分布,揭示了叶顶泄漏涡的三维卷吸过程,表明了叶顶泄漏涡的空间结构。利用数值模拟和可视化试验,说明了叶顶空化涡的类型及其演变过程,尤其是叶片出口处几乎垂直于叶片吸力面的大尺度空化云结构,其初生机理及其诱导的流动失稳等现象将是今后研究的重点。

半开式轴流风机叶顶非均匀倒圆对泄漏流和噪声的影响

采用数值仿真和实验结合的方法研究了半开式轴流风机叶顶压力面非均匀倒圆结构对叶顶泄漏流动的控制机理,以及对气动和噪声性能的影响。研究结果表明,叶顶压力面侧非均匀倒圆结构能够减弱叶顶的分离涡和二次涡,降低叶顶载荷,改变叶顶泄漏涡在吸力面的分离点,削弱叶顶泄漏涡强度,实现同风量噪声下降0.8dB(A),而对风量和功率的影响可忽略。

离心压气机叶顶泄漏涡轨迹数值模拟及失速预测

以级压比为4.1的Krain叶轮为研究对象,数值研究流量、转速和叶顶间隙对叶顶泄漏涡(TLV)轨迹和主流/叶顶泄漏流交界面(ITLMF)位置的影响。数值结果表明:流量减小、转速升高和叶顶间隙减小,使叶顶泄漏涡轨迹远离吸力面、主流/叶顶泄漏流交界面向上游移动。将主流与叶顶泄漏流的相互作用简化为一股自由来流与一股逆向壁面射流的相互作用,并对叶顶泄漏流速度进行模化。利用主流/叶顶泄漏流动量平衡原则确定交界面位置,采用Zhao模型预测叶顶泄漏涡轨迹,并建立叶顶泄漏流的有效起始位置与叶顶间隙的关系,从而建立亚声速离心压气机失速预测模型。结果表明,模型预测值与CFD预测值符合较好,方均根误差低于2.42%。

离心叶轮失速涡结构演化与耦合特征研究

为深入解析离心压气机旋转失速的涡流耦合演化机理,基于Eckardt离心叶轮全通道非定常数值模拟数据,利用涡系识别法和傅里叶频谱分析等方法研究了失速工况下叶轮中关键涡流结构的空间分布特征及非定常演化规律,发现失速流场同时存在两类涡流结构:叶片前缘龙卷风涡和叶顶泄漏涡,两类流动结构交替演化、相互作用,形成了以63%叶轮转速周向传播的失速团,促使离心叶轮失速。具体体现为:叶顶泄漏涡形成并发展,裹挟、牵引叶片前缘分离涡从叶顶开始剥离,直至完全从叶片吸力面脱落。脱落后的分离涡沿周向运动,受到叶片阻挡产生溢流,该溢流流体在叶片压力面与吸力面横向压差的作用下演变为龙卷风涡,该龙卷风涡在周向运动过程中被叶片“截断”为两段而后向下游扩散并逐渐耗散消失。之后新的叶顶泄漏涡又逐渐兴起,形成下一个涡流演化周期。两种涡结构此消彼长、周而复始,共同构成了失速演化特征。

某氦气涡轮弯叶片设计方法研究

氦气涡轮高负荷、低展弦比的特点,导致端区损失占总损失的比例较高,尤其是动叶端区损失径向发展尺度较大,甚至会堵塞主流流动。为优化某氦气涡轮气动性能和主流流动,采用数值模拟方法对动叶进行弯曲设计研究,分别对比了正弯、反弯、反J型设计方法,研究结果表明:此氦气涡轮采用反J型设计效果最佳,反弯其次,正弯最差。50%弯高、20°弯角的反J型设计为最佳设计点,不仅提高了涡轮级效率,优化了主流流动,增强了做功能力,而且有着更好的变工况特性,尤其在流量为1.5 kg/s的低工况点,效率较原设计提高2.3个百分点。

空化对叶顶间隙泄漏涡演变特性及特征参数影响的大涡模拟研究

利用大涡模拟方法及一个考虑气核效应的欧拉-拉格朗日新空化模型,对绕NACA0009水翼叶顶间隙泄漏涡(top-leakage vortex,TLV)及其空化流动开展了高精度的模拟,结果显示数值模拟与实验吻合较好.在此基础上进一步讨论了不同间隙大小对TLV空化的演变行为及其发生前后TLV强度、气核分布以及切向速度分布等特征参数的变化规律,分析了TLV空化对TLV演变行为及其特征参数的影响机制.结果表明,空化发生后,TLV的强度主要受片空化演变行为的影响,TLV空化对其自身强度的影响较小.此外,间隙越小,片空化越不稳定,TLV的强度也会呈现相应的准周期性波动.随着间隙的逐渐增大,片空化强度逐渐减小,其不稳定性也逐步减弱,TLV强度逐渐恢复至无空化时的水平,其波动也会逐渐减小.空化对涡心处气核分布会产生较为明显的影响,其影响程度取决于空化发生后TLV在空间上的稳定性以及TLV空化的强度.此外,空化发生后,TLV半径会在一定程度上增大,且在空化区域外围形成"类刚体旋转"的切向速度分布特性,其形成原因主要是空化生长引起的膨胀过程以及流动的黏性作用.

基于Omega涡识别理论的自适应空化流动模型

液体火箭发动机涡轮泵内存在多种空化类型,其发生机理有所不同,现有数值计算方法通常采用同一套模型预测所有类型空化,导致预测精度不足。为提高复杂空化流动的计算精度,提出了自适应空化流动模型。基于先进的Omega涡识别理论和ZGB空化模型建立了相变系数自适应调整方法,以涡轮泵内两种典型空化(附着空化和泄漏涡空化)为对象,利用翼型实验对模型进行了验证。首先对比了几种涡识别方法的差异,发现Omega方法对阈值不敏感且物理意义明确,适合作为相变系数的取值依据;分析了相变系数对附着空化和泄漏涡空化的影响规律及两种典型空化的形成机理。结果表明:自适应模型相比ZGB模型,对泄漏涡空化的预测精度在大间隙下提升了约181%,小间隙提升了约27%,对附着空化的预测更接近实验结果;附着空化是吸力面脱落涡形成的原因,间隙泄漏流场的涡带和剪切层空化是由间隙泄漏涡和分离涡共同作用形成的。

轴流泵小流量工况条件下叶顶泄漏空化特性

为了研究轴流泵小流量工况下叶顶泄漏涡的空化问题,该文以TJ04-ZL-02轴流泵水力模型为研究对象,基于修正的空化模型和SST k-ω湍流模型,分析了叶顶间隙泄漏涡的空化特性。数值计算结果表明,叶顶间隙内泄漏流在工作面拐角处产生分离涡空化,其与叶顶泄漏涡空化共同构成轴流泵的初生空化;在同一空化数下,不同叶片弦长系数的截面空化情况不同,随着弦长系数的增加,叶顶泄漏涡的空化区域和空泡体积分数逐渐增大。随着空化数减小,叶顶泄漏涡的卷吸区也出现空泡团,并与涡带连成一片形成空泡云。在小流量工况下,叶顶区工作面和背面压差较大,间隙轴向速度均出现矢量负值。高速摄影试验结果表明,在小流量工况下,随着空化数的降低,空化现象率先出现间隙内部,接着空化程度不断增加,泄漏涡导致的空泡急剧增加,形成的空泡云在叶片尾部区域发生爆破。当空化数为σ=0.187-0.232时,空泡布满了叶片背面,且叶顶区的空泡在轴向厚度增大,且在叶片后缘出现了明显的空泡脱落现象。

汽轮机叶顶间隙泄漏流动的数值研究

采用κ-ωsst湍流模型,应用SIMPLEC算法对汽轮机叶顶间隙内的泄漏流动进行数值模拟,分析了叶顶间隙泄漏流动对叶顶静压分布、吸力面压力分布、湍动能和叶片表面压力系数的影响。由于叶顶间隙的存在,间隙泄漏流使叶顶静压分布产生波动,在叶片吸力面靠近叶顶处出现低压区,且造成叶片表面压力系数降低。随着间隙高度的增加,上述特征更为明显。

汽轮机叶顶间隙变化对叶顶泄漏流动的影响

采用k-ωsst湍流模型,应用SIMPLEC算法对汽轮机叶顶间隙内的泄漏流动进行数值模拟,并详细分析了3种间隙条件下叶顶间隙区域内蒸汽的流动特性。结果表明:泄漏流动在叶片吸力面处形成顺时针的泄漏涡,其涡量的数值为正值,方向指向叶片的尾缘;上通道涡为逆时针,涡量的数值为负值,方向指向叶片的前缘。间隙泄漏流阻碍了主流的流动,随着间隙高度的增加主流速度大幅度下降,这说明随着间隙高度的增加,泄漏流动对主流的干涉作用越强,使主流流动特性的改变越大。

叶顶喷气对跨音速轴流压气机稳定裕度影响的数值研究

为了研究叶顶喷气机匣处理方式对轴流压气机稳定裕度的影响,针对Rotor37开展了叶顶喷气的定常数值研究。相关文献指出,喷嘴出口气流角、喷嘴轴向位置、喷嘴覆盖比率及喷嘴进口总压4个参数对稳定裕度的影响最为显著。因此,本文着重对这四个参数构建响应面,同时结合主流的单通道计算模型,详细分析了它们之间的交互关系及相应的参数变化对压气机稳定性的影响,并拟合出回归方程。结果显示,在最佳参数设置下,单通道计算模型中压气机的稳定裕度最大可以增加8%左右。在此基础上,又对四通道压气机计算模型进行了气动计算与分析,发现叶顶喷气射流会按照与压气机旋转相反的方向作用于相邻的叶片流道,抑制该流道泄漏涡的产生,进而改善该流道内的流动。研究表明,采用叶顶喷气方法可以降低叶片前缘载荷,改变压气机的失速类型,从而增加压气机的稳定裕度。

绕水翼间隙流动及其泄漏涡特征的数值分析

本文采用SST-CC湍流模型对10 mm间隙的NACA0009翼形进行了数值计算,验证了压力边圆角水翼的叶顶泄漏涡(TLV)空化等值面和轴向、圆周速度云图,证明了数值计算的准确性。数值计算获得了翼形间隙流动在各截面的流线、速度、压力、涡量、空化云图等流场信息数据;分析对比了间隙区与翼展区压力系数的分布规律;应用λ2准则分析得到TLV沿流向方向的涡强度分布,以及其在翼形中部达到最大的结果,得出TLV来源于翼形截面泄漏流和来流涡;应用涡量输运方程分析得出TLV在泄漏射流作用下存在展向、垂向速度梯度导致涡核轨迹偏移的机理和TLV在泄漏射流、来流与空化之间交互作用下的演变规律。

轴流通风机叶顶区域流动的实验研究

将粒子图像测速(PIV)技术应用到低速轴流通风机实验台上,在设计工况下对轴流通风机转子叶顶区域的瞬态速度场进行了实验测量.对3个不同叶顶间隙高度,分别测量得到了在3个不同周向平面上的速度.同粒子多普勒测速仪(PDA)时均测量结果进行比较,认为PIV可以得到与PDA相近的测量精度.根据PIV实验测量结果,重点研究了叶顶泄漏流动的涡旋结构,叶顶泄漏涡位置的不稳定性和锁相平均后的叶顶泄漏涡涡心的轨迹,并将实验结果与原有模型进行了比较.结果表明,叶顶泄漏涡涡心的运行轨迹与原有模型得出的估算公式的计算结果接近.