水力机械微尺度空化机理研究

Cavitation is important in the field of hydraulic machinery. The occurrence of cavitation can induce unsteady flow and the persistent behavior of cavitation could produce damages to blades, which results in non-smooth surfaces in blades. The damaged blade can also affect the occurrence, development and collapse of cavitation, changing the normal operation conditions of hydraulic machine. Therefore, cavitation has great effects on the safe and stable operation of hydraulic machinery. In this research, based on the experiment, numerical simulation and instability theory are used to study the mechanism of the occurrence, development and collapse of cavitation at microscale in hydraulic machine, and the characteristics of cavitation flow under different perturbations, especially the cavitation mechanism for different damage stages of the impeller and the effects of the instability modes on cavitation. The main contents includes: building the experimental and computational modes, measuring and calculating the bubble behavior close to the non-smooth wall, analyzing the reason of the persistent damage on the wall, explaining the mechanisms of non-smooth wall, building the instable model for two-phases flow, calculating and presenting the distributions of instability modes, and exploring the effects of the most unstable mode on cavitation. The research intends to present the cavitation mechanism at microscale in hydraulic machine, which can provide theoretical basis for failure diagnosis and optimal design of hydraulic machinery, showing the important engineering application background and academic value.

空化是水力机械领域的重要问题，空化的发生会引起流动不稳定，空化的持续作用会造成叶片破损，导致叶片表面不光滑，破损的叶片也会反过来影响空化的初生、发展及溃灭，改变水力机械正常工作环境，对水力机械安全稳定运行有重大影响。本项目以试验为基础，结合数值模拟和不稳定性理论分析，研究微尺度空化初生、发展及溃灭机理，以及在不同外部扰动下的动力学特性，重点研究不同破损阶段固体表面附近的微尺度空化机理及不稳定模态对空化的影响机理。主要内容包括：构建对应不同破损阶段的非光滑固体表面的试验模型和数值模型，测量并计算非光滑固体表面附近的空泡运动轨迹，分析固体表面持续受到破坏的原因，进而揭示非光滑区域对空化的影响机理；建空泡两相流的不稳定模型，计算并阐明不稳定模态分布规律，探索最不稳定模态对空化的影响机理。从而揭示水力机械微尺度空化机理，为水力机械故障诊断、优化设计提供理论依据，具有重要的工程应用背景和学术价值。

水力机械空化现象一直以来都是研究的重点和难点，空化造成的空蚀会对水力机械叶片造成持续的破坏，反过来破损的叶片也会进一步影响空化特性，对水力机械安全稳定运行有重大影响。因此本项目通过模型试验、数值模拟及理论分析的方法，研究了单空泡在不同情况下的运动特性，并探讨了水力机械空化机理，主要研究内容包括：近壁面非定常空泡运动的试验研究；近壁面非定常空泡运动的数值模拟研究和近壁面非定常空泡运动的不稳定性研究，以及相关的水力机械空化特性研究。研究结果包括：.（1）发明了一种通过降低压力产生单空泡的方法，通过该方法产生的空泡原理和水力机械空化发生的原理一致，可以更好的为研究水力机械空化发生、发展及溃灭的研究提供重要的参考；.（2）阐明了不同凹坑形状和大小下的近壁面非定常空泡运动特性，为持续破坏下空化特性的变化提供相关的参考；指出了在不同外部扰动下近壁面非定常空泡运动的不稳定性特性，为水力机械空化在受外部扰动情况下的变化规律提供基础信息；.（3）揭示了吸气涡形成的机理并提出了消除附底涡和吸气涡的装置。为空泡发生技术提供理论和技术依据，同时为进水池吸气涡和附底涡消除方法提供了技术支持和理论支撑，为实际工程应用提供了方向。揭示了水力机械水力特性受空化影响的变化机理，为水力机械空化的控制提供了理论支撑及重要的研究思路。.研究成果不仅针对水力机械微尺度空泡的运动轨迹进行详细研究，并进一步研究了水力机械宏观空化机理，具有重要的工程应用背景和相应的学术价值。