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轴流泵内部空化流动的研究

作　者: 李忠
导　师: 杨敏官
学　校: 江苏大学
专　业: 流体机械及工程
关键词: 空化两相流动轴流泵数值计算高速摄像振动特性
分类号: TH312
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

空化现象普遍存在于诸多领域内液体输送过程中,空化的发生会造成输送机械性能的下降,产生空蚀破坏,引起机组振动加剧,无法控制的空化会产生严重的甚至是灾难性的后果。对空化流动的研究属于多学科强交叉的范畴,揭示空化流动的机理从而实现对空化程度的有效控制是学术界和工程界急需解决的难题。目前对空化两相流动理论的研究仍处于探索之中,水力机械内部空化流动机理尚未被揭示。在国家自然科学基金项目(N0.50776040)的资助下,本文以自行设计的轴流式模型泵为研究对象,从理论分析、数值计算和实验研究三方面入手,对该型泵内空化演变过程、流动机理等问题进行了较为系统的研究,主要工作及取得的创新性成果如下：1、从分析水力机械内空化流动理论入手,详细阐述了影响空化发生和发展的因素以及水力机械内空化监测和定位的方法,提出采用(托马)空化系数判定轴流泵内空化程度、摄像法和振动法相结合的手段研究泵内空化流动细节的思路。2、结合轴流泵叶轮内液体运动规律的分析,阐述了变环量设计方法的实质,推导出了满足泵能量性能的环量分布系数表达式,并以此为基础设计了轴流式模型泵。通过泵性能试验,验证了设计方法的有效性。3、通过对不同湍流模型下计算结果的对比分析,确定了轴流泵内空化流动的合适计算模型。基于上述模型,对模型泵内的空化两相流场进行了全流道、三维定常计算,初步揭示了不同空化程度下泵内空化发生位置、空泡团形态的演变规律及对泵性能、空蚀破坏的影响,揭示了轴流泵叶顶间隙产生的空化流动的结构及特征。4、运用高速摄像技术和图像处理技术对不同空化程度下的非稳态空化流动细节进行捕捉、显示和测量分析,获得了空化初生、发展和恶化阶段空化流动的时空特性,从空泡团形态特征的角度提出了泵临界汽蚀的判定依据。研究中得到了空化初生空泡团的大致生命周期、旋涡空化的涡径尺寸分布规律以及空化发生区域随空化系数的演变过程等重要信息,基本掌握了轴流泵内空化流动的形态变化特性。5、提出了适合于模型泵的振动信号测量及分析方法,运用LMS多通道振动噪声测试与动力学分析系统对模型泵内水力因素诱发的振动进行了较为全面的测量,详细分析了能量工况、空化工况及不同调节方式下的振动特性,并从理论上分析了空化对振动的激励和阻尼的关系,基本掌握了模型泵振动随工况的变化规律。提出了利用振动法识别泵最优工况点、判断空化的不同发展阶段的方法。研究结果为有低振动传递要求的泵的安全运行提供了有益的参考。本文的研究成果、研究方法在一定程度上可以推广应用于其它类型水力机械内的空化流动的研究。

全文目录

摘要  6-8
ABSTRACT  8-14
第一章绪论  14-26
  1.1 论文的研究背景、目的和意义  14-16
  1.2 空化流动的国内外研究现状  16-24
    1.2.1 空化两相流研究现状  16-20
    1.2.2 水力机械内空化流动研究现状  20-24
  1.3 论文的主要研究内容  24-26
第二章水力机械内空化流动理论  26-42
  2.1 空化核理论  26-28
  2.2 空泡动力学  28-30
  2.3 空化的初生  30-32
    2.3.1 空化核的发育  30-31
    2.3.2 空化数  31-32
  2.4 影响空化发生和发展的因素  32-35
    2.4.1 液体的物理性质对空化的影响  32-34
    2.4.2 液体的动力学特性对空化的影响  34-35
  2.5 水力机械中的空化  35-40
    2.5.1 空化的类型  35-37
    2.5.2 空化对水力机械的影响  37
    2.5.3 水力机械的空化参数  37-39
    2.5.4 水力机械空化监测和定位方法  39-40
  2.6 本章小结  40-42
第三章轴流模型泵设计及性能实验研究  42-56
  3.1 轴流泵设计理论及设计方法  42-49
    3.1.1 液体在轴流式叶轮中的运动分析  42-43
    3.1.2 径向平衡条件下速度梯度方程  43-45
    3.1.3 环量分布规律分析  45-48
    3.1.4 轴流式叶轮水力设计方法  48-49
  3.2 轴流模型泵设计  49-51
    3.2.1 叶轮水力设计  49-50
    3.2.2 导叶水力设计  50
    3.2.3 轴流泵结构设计  50-51
  3.3 模型泵性能试验  51-53
    3.3.1 试验系统  51-52
    3.3.2 性能试验  52-53
  3.4 本章小结  53-56
第四章轴流泵内空化流动数值模拟  56-86
  4.1 流动控制方程  56-60
    4.1.1 通用控制微分方程  56-58
    4.1.2 质量守恒方程  58
    4.1.3 动量守恒方程  58
    4.1.4 能量守恒方程  58
    4.1.5 纳维-斯托克斯方程  58-59
    4.1.6 湍流控制方程  59-60
  4.2 湍流模型  60-63
    4.2.1 标准k-ε模型  61
    4.2.2 RNG k-ε模型  61-62
    4.2.3 k-ω模型  62-63
    4.2.4 SST模型  63
  4.3 空化两相流数理模型  63-65
  4.4 网格生成及数值计算方法  65-70
    4.4.1 模型泵三维造型  65-66
    4.4.2 计算区域及网格划分  66-67
    4.4.3 边界条件  67
    4.4.4 计算方法  67-68
    4.4.5 湍流模型的选择  68-70
  4.5 计算结果分析  70-84
    4.5.1 空化初场  70-72
    4.5.2 空化两相流场  72-84
  4.6 本章小结  84-86
第五章轴流泵内空化流动高速摄像实验研究  86-102
  5.1 高速摄像  86-87
  5.2 高速摄像实验系统及实验方法  87-89
    5.2.1 实验系统  87-89
    5.2.2 实验方法  89
  5.3 图像处理和分析方法  89-90
  5.4 结果分析  90-99
    5.4.1 空化初生阶段  91-94
    5.4.2 空化发展阶段  94-97
    5.4.3 空化恶化阶段  97-99
  5.5 本章小结  99-102
第六章轴流泵空化诱发振动特性的研究  102-128
  6.1 旋转水力机械振动基础理论  102-109
    6.1.1 周期振动  103-104
    6.1.2 随机振动  104
    6.1.3 有阻尼系统强迫振动  104-106
    6.1.4 傅里叶变换  106-108
    6.1.5 旋转水力机械振动的原因  108-109
  6.2 轴流泵振动信号测试及分析方法  109-114
    6.2.1 振动测试系统  109-110
    6.2.2 测点布置及测量方向  110-112
    6.2.3 测量工况  112
    6.2.4 测量及分析方法  112-114
  6.3 测量结果分析  114-126
    6.3.1 加速度频谱分析  114-116
    6.3.2 能量工况下振动特性分析  116-120
    6.3.3 空化工况下振动特性分析  120-125
    6.3.4 工况调节方式对振动特性的影响  125-126
  6.4 本章小结  126-128
第七章总结与展望  128-132
  7.1 研究工作总结  128-131
  7.2 研究工作展望  131-132
参考文献  132-140
攻读博士学位期间取得的相关研究成果  140-142
致谢  142

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