旋涡空化水动力学特性研究进展与展望

涡空化作为一种在推进器叶顶涡心处产生的空化现象,在推进器原型上往往最早出现,其一旦发生将会严重影响舰艇的声隐身性能(噪声增加10 dB以上),在很大程度上限制了舰艇临界航速的进一步提升,因而长期以来一直是空化水动力学领域研究的重点与难点课题之一.本文首先简要介绍了旋涡空化流动相较于其他形式空化流动的特点,并以梢涡空化为主要对象,系统阐述了旋涡空化初生、发展的演变行为与流动机理研究,从空化三要素的角度深入讨论了其影响因素与作用机制.在此基础上,本文分别对旋涡空化流动中尺度效应、流动控制等关键问题的相关研究进展进行了回顾,较为系统地梳理了旋涡空化尺度效应的内在原因以及旋涡空化流动控制方法与控制思路.最后,本文针对目前旋涡空化研究领域关注的重点与难点问题,对旋涡空化流动研究中采用的实验测量及数值模拟技术进行了总结与展望.

高速水流中旋涡空化所引起的空蚀和振动

为了研究旋涡空化所引起的空蚀和振动观象以及二者的关系,采用高速摄影的方法,观察了发生在射流放水阀山部的空化形态。采用快速富里叶变换（FFT）分析了空化所引起的振动。采用失重法,进行了空蚀实验。结果表明,旋涡空化能引起严重的空蚀和剧烈的振动。在旋涡空化发展的个同阶段,其所导致的振动和空蚀呈观了个同的特性。当Sσ>0.74时,随空化数的变化,振动和空蚀呈现了相同的变化趋势,但是,在0.50<σ<0.74的范围内,振动和空蚀呈现了相反的变化趋势。这是由于水流中空化旋涡的数目和形态随空化数的变化,以及旋涡空化引起振动和空蚀的机理不同所造成的。

剪切层区域旋涡空化的发生机理

为研究高速水流中旋涡空化的形成机理 ,用高速摄影和录像的方法观察了发生在中空射流阀内部流场的空化现象 ,采用数值模拟的方法计算了阀内部非定常粘性流场。发现流场中空化的产生与流动分离以及所伴随的剪切层区域的非定常旋涡运动有关。旋涡空化水流中有两种空穴 ,即空化泡与空化旋涡。在剪切层非定常旋涡从流动分离点产生的过程中 ,旋涡形成区域的压力进一步降低 ,在空化条件下产生大量的空泡 ,部分空泡被旋涡所包容 。

通气对空化引起振动的影响

为了研究通气对旋涡空化所引起振动的影响 ,把不同量的气体通入射流放水阀阀针后部的旋涡空化区。分别在通气和不通气条件下 ,用安装在分流栅区域阀壁上的加速度仪测量了空化所引起的振动。通过快速富立叶变换 (FFT)分析了振动加速度的频段分布和强度。发现旋涡空化所引起的振动主要发生在 1 0kHz～ 2 3kHz的频段范围内。通气可以有效地抑制该频段发生的振动强度。随通气量的增加振动强度逐渐降低。实验表明 ,随空化数的减小相同通气量条件下 ,对振动的影响逐渐变弱。

射流放水阀动态关闭过程研究

射流放水阀是水电站和水坝放水系统中广泛应用的流量控制装置。目前关于射流放水阀的数值模拟均为静止状态下的流场分析,运动状态下的流场数值模拟还未见报道。本文采用温度体模型和重叠分区背景网格方法生成射流阀动态关闭过程中的计算域网格,首次采用数值模拟方式对其动态过程进行研究。数值模拟结果显示,射流阀流量与开度呈近似线性变化规律,但在大开度和小开度范围内,流量随开度的变化较为平缓。水流经阀针后发生分离,在其背部形成主流区、剪切层区和回流区。在阀针外缘处、阀壳喉部及阀针后侧的压力远远低于阀针头部及正面压力,将导致这些区域发生汽蚀。数值模拟结果与实验观测到的现象非常吻合。

通气对空蚀的影响及高速摄影观察

为了研究通气对高速水流中发生的旋涡空化所引起空蚀的影响 ,把不同量的气体通入了射流放水阀阀针后部的旋涡空化区 ,观察了空化状态 ,测量了空化所引起的空蚀。观测表明 ,气流在水流中形成气泡分布在空化区内。部分气泡被旋涡空化团所包含 ,因此在通气条件下 ,空化涡中包含有空化泡和空气泡。空蚀实验表明 ,试片表面的质量损失均随通气量的增加而减小。分析表明 ,通气对空蚀的影响确不能完全解释为声速的减小。

隔河岩电站1号水轮机水力稳定性的若干问题研究

根据原型实测动水压力、空化噪声、补气、大轴摆度及水轮机检查等成果,研究了水轮机水力稳定性。成果表明:在168～233MW负荷区,水轮机存在低频涡带空化,脉动压力、补气、噪声、摆度等大幅度增加,尤其在177MW附近脉动压力和大轴摆度已达到甚至超过厂商保证值;在所研究负荷范围内,水轮机都存在高频激波空化噪声,主要发生在转轮叶片及缝隙中,在满负荷时最为明显,研究发现已出现空蚀前兆。

三门峡双层泄水孔原型噪声观测研究

本文通过对三门峡双层泄水孔原型噪声观测资料的分析,澄清了在水工模型试验中未能取得一致意见的若干水力学问题,所得成果对确定三门峡双层泄水孔的改建方案有重要的现实意义。