高速高压双圆弧斜齿齿轮泵空化抑制措施研究

双圆弧斜齿齿轮泵在高速高压工况下其内部流场空化现象严重,对齿轮泵的性能产生不利影响。为抑制齿轮泵的空化,建立了双圆弧斜齿齿轮泵吸油腔近啮合区域压力数学模型,以该区域压力值最大为目标函数,利用遗传算法对其各个影响因素求最优解,重新建立齿轮泵三维模型并设定模拟工况,利用动网格技术,通过PUMPLINX对齿轮泵内部流场的空化现象进行数值模拟,并分析了抑制空化后对齿轮泵的影响。结果表明:抑制空化后齿轮泵内部流场空化现象明显减小,齿轮泵的空化现象得到了有效的抑制,验证了吸油腔近啮合区域压力数学模型的正确性;相对于抑制空化前,抑制空化后的齿轮泵流量脉动和流量脉动率明显减小,泵出口流量脉动率减小了25.63%,泵出口平均流量提高了4.4 L/min,泵容积效率提高了10.04%,显著提高了双圆弧斜齿齿轮泵的性能。

基于大涡模拟的波状前缘水翼空化抑制研究

为了降低空化造成的水动力性能损失,基于仿生学原理,参考座头鲸鳍肢剖面形状,将前缘波浪构型引入到水翼设计中,研究波状前缘水翼的非定常空化特性,并探究前缘参数改变对空化控制的效果和规律。选用NACA634-021水翼为基准模型,进行前缘参数化重构,设计出3种不同的波状水翼进行对比研究。采用大涡模拟(LES)方法对空化流场进行精细化数值模拟,针对基准水翼和不同波幅与波长参数下的波状水翼开展了空化周期、升阻力系数、压力脉动以及流向涡结构的对比分析。结果发现,波状水翼在抑制空化和降低压力脉动方面都取得了显著效果。其中,3种不同的波状水翼空化抑制率分别为15.7%、18.6%和27.9%,压力脉动幅值分别降低了55.3%、67.3%和74.6%。分析表明,波浪前缘的引入使得空化的分区效应更加凸显,空化从波谷处初生,增大波幅或减小波长都可以加强对空化的抑制效果,并可以提高升力系数以及显著降低水翼表面的压力脉动。前缘波浪构型还将诱发向下游发展的对转涡结构,不同前缘参数的波状水翼涡结构的演化是相似的,空泡发展与溃灭的整个过程对涡结构的发展也具有显著影响。

基于翼剖面改型的空化抑制

为提高水翼抗空化的性能,对二维翼型的吸力面外形进行适当改造。首先通过数值计算对稳态无空化流场和稳态空化流场进行模拟,计算所得的吸力面压力系数与实验值吻合良好,验证了模型的可行性。在此基础上,采取基于阻碍回射流从而控制空化的思路,在翼型吸力面上设置微小方形凸起,并提出设置拱弧的新方案。通过对原翼型及两种改型的空化流场瞬态模拟,对比了不同时刻各模型气体体积分数云图所反映出的翼面空化程度差异。计算结果验证了阻流体对云状空化的抑制作用,同时表明设置拱弧阻流体的效果比方形阻流体好。

仿生引流式煤液化调节阀阀座空化抑制行为研究

为了抑制煤液化调节阀中空化的产生与发展,本文基于Bio-TRIZ仿生学理论,以墨鱼喷嘴结构作为生物原型,设计一种仿生引流式结构的煤液化调节阀,通过数值模拟方法研究并比较仿生阀和原始阀内部流场中压力和汽相体积分数的分布。引入特征量空化抑制效率η,定量地评价该仿生引流式阀座结构抑制空化的效果。同时,搭建了调节阀可视化实验系统,采用高速相机对不同阀座的空化形态进行捕捉,分析了仿生引流式阀座对空化长度的影响。结果表明:作为关键部位的阀芯头部易受空化损伤,优化后的仿生引流阀座结构能有效抑制空化的产生与发展,汽相有效体积和空化长度均减小;此外,小开度工况下仿生引流阀座结构抑制了空化发生剧烈程度,在大开度工况下仿生引流阀座结构加速了空化的发展与溃灭;随着调节阀开度的增加,该仿生结构的空化抑制效率提高,在70%开度下空化抑制效率达到了32.81%。

基于节流-分流耦合的高压高速节流口空化抑制方法

开展高压高速节流口的空化抑制方法研究是提升阀的寿命和可靠性的关键环节。针对高压高速节流口空化破坏严重的问题,提出了一种基于节流-分流耦合的空化抑制方法。该方法采用多级节流的方式,实现阀口压降的多级承担,有效减小阀口压力梯度并降低流速;通过在阀出口采取多排孔分流的方式,改善流线布局,减少流体冲击。以电磁卸荷阀为例,分析卸荷阀动态性能,获得高压高速节流口实际工况,开展高压高速工况下节流口流体仿真。仿真结果显示,相较多级节流方式和多孔分流方式,所提出的方法可显著改善流场的压力和流速分布,实现了阀口空化现象的有效抑制。

基于泵喷整流机理的螺旋桨空化抑制研究

为抑制水下推进器螺旋桨空化的形成,提高其水动力性能,基于泵喷整流机理,以导管螺旋桨推进器为研究对象,分别设置前置定子和后置定子,利用计算流体力学仿真分析和实验的方法,研究了前、后定子对导管推进器的空化抑制、扭矩平衡及推进效率等方面的影响。研究结果表明,前置定子对空化抑制效果明显,相对弯度对提高推进效率的影响显著,能够平衡部分横滚扭矩;后置定子对抑制螺旋桨尾流区的空化效果明显,剖面弦径比和安装位置对提高推进器效率和扭矩平衡具有最优值。因此可以通过在导管螺旋桨上加装合适的前后定子,降低螺旋桨的噪声等级,优化螺旋桨的空化性能,提高水动力性能,为类泵喷推进器的结构设计提供参考。

内流式阀件中的空化抑制新方法探究

基于压力分布直接影响空化的基本观点,提出内流式阀件出口引流抑制空化的方法并设计了相应的结构。为了验证该方法的有效性和研究该结构抑制空化性能,建立了空泡群模型并利用CFD软件获得压力场和速度场信息,利用数值计算的方法对比分析了带改进阀腔结构和不带改进阀腔结构阀件的空化情况。结果表明:将出口压力引至节流口处可以达到抑制空化的效果;随入口压力增加,改进阀腔的抑制空化能力逐渐减弱,但最后趋于稳定;随出口压力的增加,改进阀腔的抑制空化能力逐渐增强,直至完全抑制空化。

障碍物对轴流泵空化内部流场的影响

空化会影响泵的正常工作和稳定运行,为了探索能够有效抑制轴流泵内发生空化的策略,提出了将矩形流向障碍物布置在轴流泵叶片背面的方法.以比转数700的轴流泵作为研究对象,采用全流道非定常数值模拟,分析障碍物对轴流泵外特性空化性能的影响.结果表明:在设计工况下布置障碍物的改进模型在空化各阶段均能有效减少空泡体积,尤其当空泡发展至障碍物位置时效果最好,空泡体积减少了72.5%;布置障碍物能够提高叶片背面出口压力,限制低压区向出口方向扩张,减小逆压梯度,阻挡轮毂侧发生偏流,梳理空化发展的流线,优化流场结构,抑制空化的发展,并将断裂扬程提升了10.19%.

阀套开槽对二维阀空化噪声的抑制

二维阀将先导级和功率级集成在一个阀芯上,易于实现阀的快速工作和高频响应,具有结构简单、性能稳定、功重比大等优点。针对二维阀先导级的空化流动,采用计算流体力学方法进行分析。以二维阀先导级结构为研究对象,利用Fluent软件进行数值模拟,对比研究不同阀套结构下阀内流场的流速变化、压力分布、气体体积分数等流动特征。结果表明,在阀套斜槽两侧面开U形槽后,空化现象有所减弱,表现为分析面的射流速度降低,斜槽底面的气体体积分数下降,说明开U形槽后,改变了阀套斜槽内的速度流线,削弱了高速射流流体剪切流动的效果。通过进一步分析阀套斜槽内所设监测点的噪声频谱,发现阀套斜槽两侧面开U形槽结构与原结构相比,在斜槽区空化最严重的后部,噪声降低了10 dB;在模型出口处,噪声降低了3 dB;在斜槽中部,噪声声压级略有增加。说明在阀套斜槽两侧面开宽深比为2.2的U形槽确实能降低二维阀先导级因空化引起的噪声。

水翼表面布置射流水孔抑制空化

为研究水翼表面布置射流水孔对空化的抑制效果,采用RNG k-ε湍流模型结合全空化模型对8°攻角NACA0066(MOD)水翼进行二维非定常空化流场计算,分析当射流比分别为0.1,0.2和0.3时的水翼表面空化流场结构及其演化过程的流动特性,得到了不同射流条件下水翼升阻力系数的变化趋势.计算结果表明:布置射流水孔可以有效阻挡回射流从翼型尾部向翼型头部的运动,使得空泡脱落现象明显减弱,从而抑制了片空化向云空化的发展,且随射流比增加,射流对回射流和云空化的抑制作用更加显著;射流的注入同时使得升力系数和阻力系数的波动幅度明显降低,有效减弱了升阻力的周期性振荡;虽然时均升力和时均阻力受射流的影响有下降趋势,但升阻比呈上升趋势,水翼升阻比由无射流孔时的6.11增加到射流比为0.3时的7.06,布置射流孔还起到了减阻的作用.

离心泵叶片表面布置障碍物抑制空化的数值模拟与实验

以一台比转数为32的低比转数离心泵作为研究模型,提出了一种在叶片工作面加障碍物的方法来抑制空化初生及发展的方法。在不同空化数下,采用修正的SST k-ω湍流模型和Kubota空化模型对模型泵叶片表面在有、无障碍物条件下进行三维非定常数值模拟,结果表明:低比转数离心泵在有障碍物运行时扬程下降在5%以内,效率下降在3%以内,设计点扬程下降3%,效率下降1.2%。障碍物可以有效增大叶片近壁湍动能,改变压力分布,对离心泵内各个阶段空化均有抑制作用。障碍物可以优化流场结构,削弱靠近叶片背面的旋涡强度,对靠近隔舌区域的叶片工作面和背面作用效果明显。有障碍物时离心泵叶轮内空泡体积在空化各个阶段均小于无障碍物时叶轮内空泡体积,在空化发展阶段,障碍物使空泡体积持续衰减。空泡尺度发展到障碍物位置时,障碍物可以较大程度减低压力脉动主频幅值,对流场优化产生最佳效果,在空化发展其他阶段,障碍物会对叶轮内压力脉动造成小幅扰动。

水翼吸力面布置凹槽抑制空化研究

空化引起不同程度振动、冲击和噪声,加剧物体表面空蚀,使结构提早发生疲劳。为有效抑制和延缓空化发生和空泡脱落,该文提出了在水翼吸力面布置凹槽的方法,旨在通过水翼表面结构的改变来实现空化流动的调节。在数值模拟研究中,采用Realizablek-ε湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型,围绕8°攻角下NACA66(MOD)水翼,开展不同空化数、凹槽尺度和凹槽位置对二维水翼空化流场的动力学特性研究,并进一步分析了水翼表面特殊结构抑制空化的机理。结果表明:当片空化发生时,凹槽布置在距水翼前缘0.32弦长位置时,能降低空泡振荡频率,提高水翼水动力性能;当云空化发生时,适当的凹槽表面构型能够使水翼吸力面边界层变薄,边界层分离点滞后,水翼尾缘回流区减薄,吸力面低压区减小,证明了凹槽表面构型对空化抑制的适用性。然而,在水翼吸力面布置凹槽,虽然可以降低水翼表面边界层的厚度,增强抗逆压能力,但却触发了凹槽附近区域回射流的加速。因此,只有当抗逆压梯度能力大于回射流冲击时,才可以实现对空化流动的抑制。该研究成果扩大了空化流动的被动控制方法研究范围,为水力机械空化抑制技术提供了参考。

射流对绕水翼云空化流动抑制机理研究

为理解绕水翼云空化流动的发展机理和探究水翼吸力面开孔射流的影响,采用密度修正的RNG k-ε湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型对原始NACA66(mod)水翼和采用射流后的水翼的云空化非定常过程进行模拟和对比分析;采用在水翼吸力面近壁区设立监测线的方法对近壁区的流场进行监测,得到近壁区汽相体积分数、回射流速度、压力及压力梯度的时空分布云图;开展了云空化流场特性的涡动力学分析,进而分析水翼云空化的发生机理和射流抑制空化的抑制机理.结果表明:游离型空泡在下游溃灭时产生强烈的局部高压,其向上游传播导致前缘空穴的一次回缩,而空穴的二次回缩受回射流的影响.回射流的发展区域受限于较高的压力梯度,高的压力梯度一直存在,但回射流在一个周期内的首次出现需要时间的积累.在水翼吸力面射流使得射流孔附近压力升高,弥补了由于空化和绕流造成的压降,压力梯度增大,抗逆压能力增强,对回射流起到阻挡作用;另一方面,射流使得回射流区域面积和回射流的强度也有所减小,从而对云空化的发展起到抑制的效果.Q准则的涡结构云图相比于汽相体积分数云图能显示复杂的流动结构,前缘附着型空穴和尾缘游离型空穴内存在旋涡,回射流对空穴存在剪切作用造成空穴脱落.而射流对空穴和回射流的剪切和阻挡使云空化发展得到抑制.

离心泵叶片吸力面粗糙带抑制空化效果研究

提出一种在叶片前缘吸力面布置粗糙带抑制空化的方法。选用低比转数离心泵作为研究对象,利用修正的SST kω湍流模型和Kubota空化模型对离心泵全流域进行空化数值模拟。通过对比不同空化数下有、无粗糙带结构离心泵叶轮内的流场结构、湍动能分布、速度矢量、空泡体积变化和监测点压力脉动结果,分析粗糙带结构对离心泵工作性能的影响和空化抑制效果。结果表明:粗糙带结构对离心泵扬程和效率的影响较小,不会对离心泵工作性能造成较大影响;布置粗糙带后,叶轮内的流场分布得到改善,漩涡强度减弱,流动变得平稳;粗糙带结构有效抑制了空泡的初生,减弱了初生阶段湍流带来的能量耗散,对空化严重阶段的空泡体积也有一定的抑制效果;粗糙带结构对叶轮进口处、叶轮外缘和蜗壳隔舌处的主频压力振幅影响较小,对粗糙带结构之后且靠近该结构流域的压力脉动产生不同程度的扰动。

离心泵叶轮后盖板布置小叶片抑制空化

针对低比转速离心泵内易发生空化现象的问题,本文提出了一种在叶轮后盖板布置小叶片抑制空化的方法。通过数值计算和相应的外特性及空化试验,研究小叶片对低比转速离心泵空化性能的影响,并分析其抑制空化的机理。结果表明:空化模拟值与试验值吻合较好;空化发展阶段,小叶片改变了流动结构,降低了叶轮内湍动能强度,明显削弱了叶片背面的旋涡强度,从而改善了离心泵的空化性能;有小叶片的叶轮内空泡体积远小于无小叶片的叶轮内空泡体积,小叶片抑制空化的同时减小了叶轮内压力主频幅值,但对隔舌处造成一定扰动。本文分析为离心泵内空化控制提供了一定的研究基础和理论依据。

不同射流参数下水翼云空化流动控制研究

在水翼吸力面采用主动射流方法可以很好地控制绕水翼的空化流动,减弱空化的发生和发展。为此,基于主动控制方法,采用密度修正的SST kω湍流模型和Zwart Gerber Belamri空化模型,数值研究射流参数对于绕NACA66(MOD)水翼云空化的流动特性影响规律。根据正交设计方法,在来流雷诺数Re为5.07×105、攻角α为8°、空化数σ为0.83工况下,针对由不同射流参数组合而成的16组射流结构,评估了射流位置、射流角度和射流流量对绕水翼流场空化特性和水动力特性的影响,并获得最优射流特征参数。结果表明,射流位置对空化流动抑制影响最大,而射流角度对水动力学性能影响最大。采用最佳射流特征参数将使水翼空化流场中的时均无量纲空穴面积降低46.57%,时均升阻比提高5.59%。此时,顺来流方向的射流与向前缘发展的回射流碰撞并形成强烈的掺混,消耗了回射流的动量,从而阻碍了回射流继续向水翼前缘移动,极大地削弱了附着型空化的失稳脱落。

局部微通道对NACA翼型空化的抑制

为了探索主动抑制空化方法,降低空化对近壁面空蚀,减少空化诱导的结构振动,在NACA0012翼型易发生空化区域设计了局部微通道,并对微通道尺寸的大小、位置对翼型空化的影响进行了研究。研究结论表明:含有局部微通道的翼型可以有效抑制空化的产生和发展,降低空化发生的规模;微通道的孔径与抑制空化的范围成正比,开孔会明显影响翼型开孔侧的压力分布。综合对比发现0.05c处采用直径为6 mm的微通道对空化的抑制效果最为显著,同时该翼型的湍动能与原翼型相比没有变化。这种抑制空化方法与策略,对其他类型流体机械的抑制空化具有很好的参考价值。

液压新型节流阀抑制空化的效果研究

液压系统中空化现象普遍存在,给系统正常工作造成了一些麻烦。为此设计出带出口压力反馈结构的新型节流阀来抑制空化。将节流阀腔中的湍流脉动压力功率谱强度作为表征阀件空化程度的指标,还首次将新旧两种节流阀的功率谱强度之差进行积分,所得的功率谱效果因子Δη_1及Δη_2用于判别新设计的阀有无抑制空化的能力。实验研究得出:新型节流阀抑制空化的方法是可行的;液压回路采用这种节流阀能较好地消除气泡的产生和伴随的空化现象。

主动射流控制水翼空化的数值模拟与分析

为了改善高速流动工况下水翼吸力面上流场的空化特性,提出了水翼表面主动射流对绕水翼周围流动加以控制的方法.基于密度分域滤波的FBDCM混合湍流模型联合Zwart-Gerber-Belamri空化模型,分析了来流空化数为0.83,来流攻角为8°,射流位置距水翼前缘为x=0.19c时,主动射流对于水翼吸力面上流动的空化特性和水动力特性影响.对回射流的强度进行了量化分析,以探究回射流与流场空化特性的关系.数值分析结果表明,在射流水翼吸力面上的时均空泡体积为原始水翼的1/15,使得流场内空化流动由云空化状态转变为较为稳定的片空化状态,显著地削弱了云空化的发展.此外,射流极大地改善了水翼的水动力性能,使得水翼的升阻比较原始水翼提高了22.9%,空泡的脱落频率减少了26.2%,空泡脱落所引起的振幅减小了9.1%.射流大幅降低了水翼吸力面上低压区面积,水翼吸力面上流体的逆向压力减小,回射流强度降低;同时,射流使水翼吸力面上的边界层减薄,增强了流动的抗逆压梯度能力,一定程度上阻挡了回射流向水翼前缘的流动,这也从机理上分析了主动射流抑制空化的原因.

基于缝隙射流原理的离心泵空化控制研究

为了改善低比转速离心泵内的空化流动状态,提出一种在叶片上设置缝隙的被动控制方法,探究该结构对空化的抑制效果及其控制机理.采用数值模拟方法探讨结构对空化的抑制.采用修正的SST k-ω湍流模型和Kubota空化模型,对原始叶轮和改型叶轮分别进行定常及非定常数值计算,获得设计工况下2种叶轮形式在各个空化阶段的流场结构及压力脉动特性.计算结果表明:改型叶轮中经缝隙流向叶片背面的高压流体提高了叶片背面的压力,对空化初生、空化发展及空化剧烈阶段均产生了抑制作用,特别是空化剧烈阶段,与原始叶轮相比,其空泡体积分数减少了60.6%;与原始叶轮相比,改型叶轮内液相区的压力脉动主频幅值在各个空化阶段均有所下降.