基于LES-PM的离心泵内部非定常空化流研究

The stability and reliability of operating centrifugal pumps are often threatened by cavitation phenomenon, which restricts the development of pump turning to miniaturization. It is always one of the critical issure to be solved in pump industry. In this project, the evolution process and mechanism of the unsteady cavitation flow in centrifugal pumps will be lucubrated via numerical simulation, experiment test and theoretical analysis. Firstly,to establish LES-PM calculation method, the construction of the preconditioning matrix and the relationship between density and pressure in the cavitation flow are investigated. A so called pseudo-compressibility coefficient is formulated meantime. Secondly, in order to develop a novel cavitation model based on transport equation, which is suitable for computing the cavitation flow in the centrifugal pump, the influence of the cavity characteristic length and velocity on cavitating flow, and the optimization measure of interphase mass transport rate correction factor are researched. To verify the calculation method and computing model, the CCD camera and the PIV-LIF testing technique are employed to observe the cavitating flow in the centrifugal pump. In the meantime, the vibration and the pressure pulsation are tested with various cavitation conditions. Furthermore, it is significant to develop an image processing technique and a separation method to separate the cavitation characteristics signal. The purpose of this project is to establish an effective calculation method to predict the unsteady cavitating flow characteristic in the centrifugal pumps and reveal its mechanism. This work will provide a theoretical foundation to improve the reliability and efficiency of centrifugal pumps.

空化严重影响离心泵运行的稳定性和可靠性，制约着离心泵向高速化方向发展，是泵领域丞待解决的关键问题之一。本项目拟通过数值计算、实验测量和理论分析相结合的方法，深入研究离心泵内部非定常空化流演变过程和机理。 建立LES-PM计算方法，研究用于LES的预处理矩阵构造，以及空化流场中密度与压强的相互关系，确立伪可压缩系数的表达式；发展新的适用于离心泵内部空化流计算的输运方程类空化模型，研究特征长度和特征速度对空化流动的影响，研究相间质量传输率修正系数的优化方法；为了验证计算方法和模型，拟通过高速摄影和PIV-LIF测试技术，对离心泵内部的空化流场进行可视化实验研究，并同步测量不同空化状态下的振动和压力脉动特性，研究图像处理和空化特征信号分离方法。 本项目旨在建立一种能有效预测离心泵内部非定常空化流特性的计算方法，揭示离心泵内部空化流动机理，为提高离心泵效率和可靠性提供理论基础。

空化的存在不仅会降低水泵等水力机械的运行效率，还会产生振动和噪声，甚至会对水力机械固体表面造成破坏，严重影响系统的安全稳定运行。近几十年来，数值模拟已经成为空化流动现象研究的重要手段，空化流数值模拟的关键在于建立合适的空化模型和湍流模型。本项目的主要研究内容和成果有：.（1）完善了离心泵空化性能、空泡分布、振动和压力脉动同步测试系统，获得了不同工况下离心泵叶轮进口空泡的分布位置以及空泡随叶轮转动的产生与溃灭规律；分析了离心泵叶轮进口空泡分布与振动和压力脉动的关系。.（2） 针对离心泵空化数值模拟过程中需人为不断调整边界条件的问题，基于批处理（Batch）和ANSYS-CFX建立了一种空化数值模拟自动运行方法，实现了CFD计算软件的自动调用和边界条件的自动修改，使计算能够直接执行下一步。该方法保证了数值模拟过程的无缝衔接，缩短了计算周期。.（3）建立了一种适用于离心泵空化数值模拟的RCD湍流模型，并与试验结果进行了对比，结果表明：RCD模型有效地抑制了传统湍流模型对湍流粘度的过预测，并准确地捕捉到更为细致的泵内湍流涡团与速度分布，使得数值计算能够准确地模拟出离心泵内空化流非定常脱落与溃灭的现象。.（4）研究了ZGB空化模型中空泡半径、汽化与凝结经验系数对离心泵空化扬程下降曲线预测精度的影响， 考虑离心泵的旋转运动特性和流体湍动能与空泡结构演变的内在联系，基于ZGB空化模型发展了一种适用于离心泵空化数值模拟的RZGB空化模型，建立了离心泵转速和几何结构与空泡半径的函数关系。对比表明，RZGB模型能够更准确地捕捉到离心泵进口空泡的三维特殊结构以及空穴尾端的不稳定现象。.本项目建立的空化流数值计算模型和方法为研究离心泵内部空化流动特性提供的新手段，为提高泵的效率和可靠性提供了基础。本项目共发表论文10篇，其中SCI7篇；申请发明专利专利5项，其中3项授权；获教育部科技进步二等奖1项，中国商业联合会科技进步一等奖和二等奖各1项；培养研究生2名。