叶栅非稳态空化绕流诱导振动特性研究

The mechanism of cavitating flow around the cascade induced vibration is the key to develop active vibration control technology for axial-flow pump. Using advanced test technologies and simulation means, the characteristics of three-dimensional cavitating flow around a cascade of 791 hydrofoil and flow-induced vibration under different cavitation coefficient are mainly researched. Based on testing flow media physical property, the constitutive relation of cavitation is established. Coupling detached eddy simulation turbulence model and cavitation model, the unsteady cavitating flow around the cascade is simulated. The macro and micro characteristics of cavitating flow are captured by using high speed imaging and image processing technologies. The flow field paramenters and dynamic pressures at the hydrofoil surface are also measured. By analyzing the experimental results, the three-dimensional structure of cavitating flow and the dynamic characteristics of liquid-vapor phase behavior are obtained. The inducing factors of cavitating flow structure change and the transition mechanism of different cavitation stages are both revealed. With vibration signals testing and analysing, the appropriate fluid-solid coupling simulation method is set up. The relationship between cavitating flow characteristics, dynamic force on cascade, and vibration response is explored according to experimental and simulated results. The effects of degree of cascade parameters on stability are obtained by orthogonal test, then the optimization scheme of low vibration cascade is proposed. The research achievements are helpful to promote the understanding of mechanisms of cavitating flow and flow-induced vibration, develop the cavitation theory and research methods, and provide the theoretical basises for axial-flow pump's optimal design for low vibration and stable operation.

叶栅空化流激振动机理是发展低振动轴流泵主动控制技术的关键。本项目以直列791叶栅为研究对象，综合运用多种先进的测试技术及计算手段研究不同空化阶段叶栅三维绕流时空特征和振动特性。从输送介质的物性研究入手，构建空化本构关系，耦合分量涡模型和空化模型对空化非稳态两相流动结构进行模拟，结合空化流态宏观和微观特征的观测及流动参数的动态高频测量，刻画空化流动的三维形貌特性，分析汽液两相的动力特征，探索不同尺度流动结构演变的诱发因素及不同空化阶段间的转变机制。基于振动信号的高频测量和分析，探寻合适的空化流激振动双向流固耦合求解方法，探索空化流动特征、流体激励力、振动响应之间的关联关系，量化相关参数对叶栅绕流稳定性的影响水平，提出低振动叶栅优化方案。项目研究成果将从本质上加深对空化流动和流激振动机理的认识，丰富空化两相流动理论与研究方法，为轴流泵低振动设计方法的发展和运行稳定性的提高奠定理论和技术基础。

空化现象普遍存在于诸多领域内液体输送过程中，其诱发的振动加剧问题危害着系统的安全性和效能，是水力机械研究领域中急需解决的重要学术和工程难题之一。本项目以轴流式叶轮的设计基元翼型和直列叶栅为研究对象，采用单相拓展到两相的研究方法对三维绕流的时空特征和振动特性进行分析，重点关注非稳态流动特征与流体激励力、振动特性之间的关联关系。研究从单相绕流基础性实验入手，采用粒子图像速度场仪（PIV）捕获了不同来流条件下翼型绕流的整场和尾缘处涡量场的分布特性，定量评价了主流区内来流的均匀度，分析了旋涡迁移运动中的演变特征。采用振动噪声测试与动力学分析系统（LMS）动态监测了绕流诱发的振动信号，研究了不同方向上振动加速度与来流条件之间的对应关系，确定了单相绕流低振动水平所对应的最佳来流条件以及偏离后振动水平的增长率。通过流固耦合计算获得了不同状态下叶栅的固有频率和模态振型，确定了合适的计算方法。评价了压力项和表面张力项对空泡增长和溃灭的影响权重。在混合连续性方程和包含二阶项的空泡动力学方程的基础上构建了非线性空化模型，并对湍流模型进行了修正。结合介质物性测量，以升阻力系数和空化绕流特征为依据对数学模型中主要参数的适用值和其有效性进行了研究。对不同空化数下空化绕流进行了数值计算，获得了不同空化阶段空泡团的演变特征以及空泡体积分数、升阻力系数的变化规律，明确了各阶段的主要激励频率和不同空化阶段过渡点的识别依据。采用高速数码摄像技术动态捕捉了空泡团的形态演变过程，获得了不同尺寸空穴的生命周期。结合压力脉动测量和数值计算，研究了不同空化阶段下叶栅中翼型表面的压力脉动特性，分析了空化结构和压力脉动之间的响应关系，获得了不同空化阶段的主要激励源。基于LMS测量和分析，获得了空化诱发的振动频率范围和空泡的大致生命周期，量化了振动水平与空化数之间的对应关系，确定了以振动水平增长为依据的初生空化阶段和片状空化阶段的判定依据。探讨了不同来流条件对叶栅振动的影响关系，分析了翼型和叶栅振动特性的异同，初步提出了低振动叶栅的设计方向。项目研究较为深刻地认识了空化两相流动的规律和流激振动特性，丰富了空化两相流理论和方法。项目执行期间，共发表论文9篇，其中SCI收录2篇、EI收录3篇；申请专利5项，授权3项；参加国际学术会议2次、国内学术会议3次；获教育部科技进步二等奖1项；出版教材1部；培养硕士研究生3名。