水力机械的空化特性及对策

Cavitation occurred in a hydraulic machinery is a kind of complex turbulent flow phenomenon including phase change. The fluid dynamics caused by the development, oscillation, break up and collapse of the cavities are the main reasons to induce erosion, vibration and acoustic of a hydraulic machinery, which are the main factors to effect the reliability and safety of hydraulic machinery operations. .In order to investigate and control cavitation phenomena in hydraulic machinery, in this project, an experimental system for cavitating flow measurements will be developed. The turbulence and cavitation model for the unsteady cavitating flow computations in the hydraulic machinery will be studied. Based on the models, the numerical method for the unsteady cavitating flows in hydraulic machinery will be developed. By coupled experimental and numerical method, the unsteady flow characteristics and the structure of turbulent cavitating flows will be studied. The mechanism of cavitation inception and development will be illustrated. The dynamics caused by unsteady cavitating flow in hydraulic machinery will be studied to provide insight into the relation between cavitation development and flow dynamics and energy characteristics of hydraulic machinery. Design optimization method for the hydraulic machinery will be established. Hydraulic model of hydraulic machinery with better cavitation performance will be developed. Mechanism of suppressing cavitation will be studied. The methods for suppress cavitation occurred on hydraulic machinery will be suggested. The strategy for hydraulic machinery free operation under cavitation conditions will be proposed.

水力机械内部发生的空化是一种包含相变过程的复杂旋转湍流流动现象，空泡的发展、脉动、断裂以及溃灭所引起的流体动力是导致空蚀、振动和噪声，进而影响水力机械安全稳定运行的关键因素，同时也关系到航天、水下兵器以及核能等和国家安全以及国民经济相关的重要领域的关键技术问题的解决。.申请者将针对水力机械的空化及其抑制问题，发展系统的空化流动实验技术，研究水力机械内部非定常空化流动的空化模型、湍流模型，建立水力机械内部非定常空化流动数值计算方法；综合应用实验研究和数值计算的方法，研究水力机械内部空化非定常流场特性和多相湍流场结构，揭示非定常空穴形成和发展机理；研究水力机械内部非定常空化引起的流体动力特性，掌握空化发展与流体动力以及水力机械能量特性的关系；建立水力机械的优化设计方法，研究高空化性能的水力模型；研究抑制空化的机理与方法，提出抑制水力机械空化的对策以及水力机械在空化发生条件下安全运行的评价准则。

水力机械是关系国计民生以及国家安全的战略装备，作为重要的能量转换装置，水力机械广泛应用于国民经济的各个部门，空化问题一直是水力机械领域研究的关键核心问题，同时也是多种工程领域关键技术的核心问题，一直以来受到广泛的关注。本项目采用实验测试、机理研究、模型构建与模拟分析相结合的方法，对水力机械空化流动的测量，空化流动计算模型，空化初生和发展机理，空化动力特性及其机理，高空化性能水力机械模型开发，空化发展的抑制方法和机理等进行了深入研究。建立了非定常空化多场实验测量平台和数据采集与处理系统，实现了非定常空化流场结构和压力脉动、振动噪声等参量的定量精确测量与同步分析；发展了适用于水力机械内部非定常空化流动的空化模型和湍流模型，建立了水力机械内部非定常空化流动数值计算方法。揭示了非定常空穴的形成和发展机理，特别是附着型空穴断裂及空泡脱落机制，掌握了空穴断裂、脉动和溃灭引起的冲击压强及其传播特性，以及不同空化阶段空化流激振动特性；掌握了关键几何参数对空化性能的影响，建立了空化性能预测模型，完善了高空化性能水力机械的优化设计方法，开发了高空化性能的水力模型。掌握了表面粗糙度和润湿性对空化初生和发展的影响以及主动通气对抑制空化及其诱导压力脉动特性的影响机制，提出了泵类壳体及叶片微细裂纹激光强化延寿方法和激光诱导空泡空化强化方法，有效地抑制了水力机械的空化空蚀。.本项目执行期间，出版专著4部，译著1部，发表论文136篇，其中被SCI收录51篇，EI收录46篇；授权发明专利17项，培养博士研究生11人，硕士研究生13人，项目成果获国家科技进步二等奖1项，教育部高等学校科学研究科技进步二等奖3项。主办了第二届国际空化和多相流会议，项目研究成果已在舰船用泵和航空燃油泵得到应用，具有重要的理论意义和广阔的应用前景。