轴流泵叶顶泄漏涡的空化机理研究

轴流泵转轮叶顶泄漏涡空蚀是南水北调工程和国防装备急需解决的难题之一，研究叶顶泄漏涡的空化机理是解决该问题的基础研究。本项目以全透明轴流泵模型为研究对象，对转轮叶顶非定常泄漏涡的流动结构及其诱导空化机理进行研究。具体内容包括：建立基于k-ε SST湍流模型的DES方法和Singhal空化模型，并通过实验对湍流模型中的参数进行标定；基于非定常数值模拟、3D-PIV和高速摄影测量，分析泄漏涡的卷吸过程、涡心运动轨迹，研究叶顶断面形状和间隙大小对泄漏空化涡带结构的影响，阐明间隙区静压、湍动能、涡量场与空泡分布的关联性；探讨不同叶顶结构对空化涡带近壁区压力脉动特性的影响规律，并在数值计算和实验研究基础上，提出控制或减弱叶顶泄漏涡空化的途径和方法。本项目旨在揭示叶顶泄漏涡的涡核低压区诱导空化机理，掌握轴流泵叶顶断面形状和间隙大小对泄漏空化涡带结构的影响规律，为有效控制或减弱叶顶泄漏涡空蚀提供理论基础。

本项目以比转速为700的轴流泵模型泵为研究对象，基于数值模拟和试验研究并重的研究方法，系统研究了轴流泵叶顶泄漏涡形成在过程、流动结构以及涡空化特性，研究的主要内容及成果如下：.（1）基于网格无关性和边界层精细化流场，分析了网格拓扑结构和网格数对叶顶区边界层及叶顶泄漏涡流动结构的影响，毫米级间隙区采用了高密度结构化网格处理，保证壁面y+值小于50。采用Standard k-ε, RNG k-ε，k-ω和SST k-ω四种湍流模型对轴流泵端壁区全流道进行了三维湍流场数值模拟，计算结果表明，SST k-ω湍可准确预测具有逆压梯度的轴流泵叶顶泄漏流的流场结构。 .（2）针对三种叶顶间隙的轴流泵，分别进行了全流道多工况数值模拟，探究在不同流量工况以及不同叶顶间隙大小条件下，轴流泵叶顶间隙泄漏流的流场结构特性。数值模拟结果表明，随着流量的增大，叶顶间隙泄漏流的涡核迹线起点由叶片前端逐渐往叶片后缘移动，且往翼型中部移动；随着叶顶间隙的增大，轴流泵的扬程逐渐下降，顶泄漏涡的涡核运动轨迹线由叶片前端往叶片后缘移动。.（3）基于均相流空化模型，对轴流泵模型泵在不同流量工况分别进行空化流场计算，分析了轴流泵叶顶泄漏涡的涡核低压区诱导空化特性。揭示了叶轮区域空化的初生和发展过程，探究了不同圆柱截面上的空化面积以及叶轮出口轴向速度随着叶轮半径的变化规律，并比较了不同空化数工况下叶片表面压力分布特性。数值模拟结果表明，当空化初生时，叶片进口边靠近轮缘处首先形成局部微小刮起涡，叶片轮缘以及间隙区域形成附着空化和叶顶泄漏涡空化，此时不同圆柱截面空化面积较小，空化区主要在靠近间隙区域，随着空化数逐渐降低，叶片外缘附近空化逐渐严重，且沿径向往叶片背面扩展至整个叶片背面，不同圆柱截面的空化面积逐渐增大，叶顶泄漏涡空化流场引起叶轮出口间隙区域轴向速度逐渐降低。.（4）基于数值模拟和高速摄影试验，分析了不同叶顶间隙工况下轴流泵端壁区空化流场、叶顶泄漏涡带以及涡核运动轨迹线的分布特性，计算结果表明，随着叶顶间隙的增大，轴流泵的临界空化数逐渐增大，且叶片轮缘靠近间隙圆柱面的空化逐渐严重且往叶片尾部移动，同时间隙泄漏流增加。在叶片空化初生时，叶轮在间隙区出现轻微的间隙泄漏空化和叶顶泄漏涡空化；随着空化数的逐渐降低，间隙泄漏空化和叶顶泄漏涡空化的区域逐渐增加，且较为严重，空泡在叶片后部产生爆破。