沟槽控制技术抑制轴流泵叶顶间隙泄漏涡空化的机理研究

The damage to the axial-flow pump caused by the tip leakage vortex cavitation is an urgent and unsolved problem in the hydraulic machinery field. Based on the idea of flow control, a new type of groove control technology has been put forward and which could effectively suppress the formation of tip leakage vortex cavitation to a certain degree. And then the groove control technology could weaken the harm of tip leakage vortex cavitation and improve the anti-cavitation performance of axial-flow pump. In view of the importance of suppressing the tip leakage vortex cavitation, it is necessary to study the mechanism of suppressing tip leakage vortex cavitation in axial-flow pump with the groove. Based on cavitation performance tests and high-speed photography experiments, this project intends to research the influence of the groove on the internal and external cavitation characteristics of axial-flow pump under different conditions. New mathematical models, including the vortex cavitation model and the rotation and curvature-corrected scale-adaptive turbulent model are proposed, and which could reflect the internal cavitation flow features of axial-flow pump. The new mathematical models are used to study the cavitation flow characteristics in axial-flow pump with and without the groove. Through comprehensive analysis the experimental and numerical simulation results, the internal mechanism of suppressing the tip leakage cavitation characteristics of axial-flow pump with the groove will be revealed. Furthermore, the relationship between the characteristic parameters of the groove and the cavitation performance parameter of axial-flow pump would be established. Based on the above research, the effective working range and the design method of the groove will be identified and proposed, respectively, and which will provide strong theoretical and methodological support for studying the axial-flow pump with highly anti-cavitation performance.

叶顶间隙泄漏涡空化对轴流泵造成的危害是水力机械领域亟需解决的难题之一。申请人基于流动控制思想提出的沟槽控制技术可在一定程度上有效抑制叶顶间隙泄漏涡空化，有助于减弱其危害和提高轴流泵的抗空化性能。鉴于抑制叶顶间隙泄漏涡空化的重要性，有必要深入研究沟槽控制技术抑制轴流泵叶顶间隙泄漏涡空化的作用机理。本项目通过开展轴流泵的空化性能实验和高速摄影实验，研究不同工况下沟槽控制技术对轴流泵空化内外特性的影响规律；构建有效反映轴流泵内部空化流动特点的旋涡空化模型和旋转曲率修正尺度自适应湍流模型，并用于开展沟槽控制技术影响轴流泵空化特性的数值研究；综合分析实验和数值研究结果，揭示沟槽控制技术抑制轴流泵叶顶间隙泄漏涡空化的机理，建立沟槽的位置、数量及结构尺寸等特征参数与轴流泵空化性能参数之间的关系，确定沟槽控制技术的有效适用范围，提出沟槽控制技术的设计方法，为研究高抗空化性能轴流泵提供有力的理论和方法支撑。

叶顶间隙泄漏涡空化是轴流泵内部常见的空化形式，容易降低泵的性能及其运行稳定性。如何有效抑制叶顶间隙泄漏涡空化是水力机械领域亟需解决的难题之一。本项目采用理论分析、实验测量和数值模拟相结合的方法，开展了沟槽控制技术抑制叶顶间隙泄漏涡空化研究，取得的主要研究成果如下：.（1）基于ZGB空化模型，引入反映旋涡流动结构的特征参数并构建其与空化模型相变系数的关系，建立了考虑旋涡运动对汽液相间质量传输过程影响的VZGB空化模型；通过引入基于局部流场湍流特征尺度的滤波器和利用应变率随体导数的经验修正方法，构建了旋转曲率修正的尺度自适应的SFBDCM-RC湍流模型。基于VZGB空化模型和SFBDCM-RC湍流模型，建立起一套反映轴流泵内部空化流动特点的数理模型方法并对其进行了有效性验证。.（2）以三维水翼为对象初步探究了沟槽控制技术的布置角度对叶顶间隙泄漏涡空化的影响规律，深入分析了非空化及空化工况下沟槽控制技术对叶顶间隙泄漏涡的影响作用，并引入涡动力学方法对比研究了沟槽控制技术作用前后叶顶间隙泄漏涡空化流场的差异，分析了沟槽控制技术对三维水翼叶顶间隙泄漏涡空化的抑制机理。.（3）研究了叶片安装角变化对轴流泵的水力特性和叶顶间隙泄漏涡流动特性的影响，并利用POD方法分析了轴流泵叶顶间隙泄漏涡各种模态下的流动结构。通过熵产理论、边界涡量动力学理论，研究了不同空化工况下轴流泵的能量特性、叶片表面及叶顶处的空化流动特性，分析了不同空化阶段轴流泵叶顶间隙泄漏涡空化的演化规律及能量损失特性。.（4）探究了沟槽控制技术对轴流泵空化流动的影响特性，分析了沟槽控制技术的关键结构参数即数量、倾斜角、宽度角、深度的变化对轴流泵空化流动特性的影响规律，分析了设计流量、偏小流量以及大流量工况下沟槽控制技术对轴流泵叶顶间隙泄漏涡空化的抑制效果的差异，深入分析了沟槽控制技术对轴流泵叶顶间隙泄漏涡空化的抑制机理。