含沙条件下水力机械空化流动机理研究

Rivers in the nature mostly contains a certain amount of sediment. Fluid machineries in pumping stations for the purpose of carrying water and power stations for the purpose of power generation are all facing a serious problem-sediment abrasion and cavitating erosion in sediment laden flow. Research on cavitation is mainly based on single-phase water media and cavitaion in sediment laden flow less. Based on the solid-liquid two phase flow and vapor-liquid two-phase flow theory, a theoretical model of the coupled flow of the vapor-solid-liquid multiphase will be established and unsteady algorithm will be developed for solving cavitation flow in sediment laden flow, which includes cavitation model and turbulence model considering the impact of sediment concentration and particle diameter. Internal flow mechanism of fluid machinery in cavitating state in sediment laden flow will be studied through numerical method and the corresponding relations of sediment concentration and particle size and external characteristics of fluid machinery will be obtained; experimental methods will be proposed to verify the developed numerical method. For cavitation control in fluid machinery in sediment laden flow, obstacles placed on the blade surface will be used. Through numerical and experimental methods, research on the effect of shape and the geometric size of obstacles to the cavitation performance of fluid machinery will be proposed and it will provide theoretical support for the design and cavitation control of fluid machinery.

自然界中的河流大多都含有一定量的泥沙，因此以提水为目的的泵站和发电为目的的电站中运行的水力机械都面临着输送含沙水流时所造成的磨蚀和空蚀问题。目前对于空化的研究主要基于单相、清水介质，而对含沙水流中的空化流动问题研究较少。本研究拟从固液两相和汽液两相流动理论出发，建立汽固液多相耦合流动的理论模型，并发展适用于含沙水流空化流动的非定常求解方法，其中包含考虑含沙量及颗粒直径影响的空化模型和湍流模型；通过数值方法研究含沙水流空化状态水力机械内部流动机理，得到含沙量及颗粒粒径与水力机械外特性的对应关系；通过实验方法对提出的数值方法进行验证。对于含沙水流中水力机械空化的控制，本项目采用叶片表面加障碍物方法，通过数值和试验方法研究障碍物形状、几何尺寸对水力机械空化性能的影响，为水力机械的设计和空化控制提供理论支持。

自然界的河流或多或少均含有固体颗粒与悬浮泥沙，其对空化的影响亦不可忽略。本项目基于试验与数值模拟方法，主要研究了沙粒粒径与含量对喷嘴与离心泵空化特性的影响。. 基于Mixture模型框架，采用RNG k-ε湍流模型、Schnerr&Sauer空化模型，研究了沙粒粒径与含量对空化影响的数值算法。结果表明：计算结果与试验结果吻合良好，说明所设计的算法能准确计算含沙水空化流动。. 通过计算流体力学方法，研究了沙粒对离心泵流动特性和空化特性的影响。通过沙粒对离心泵流动特性影响的分析，表明清水介质与含沙水流条件下，离心泵扬程与效率变化基本一致，额定工况为最优工况。两种不同介质下，静压变化规律相同且含沙条件下压力高于清水介质下的值；通过分析沙粒对离心泵空化特性影响，表明沙粒促进了空化的提前发生且空化程度随含沙量增加而加剧；两种不同介质下，流道内空泡分布规律基本一致，且同一流量相同出口压力条件下，含沙水流中空化程度较清水要严重。. 通过多功能水泵闭式试验台，研究了沙粒对离心泵空化特性的影响。空化试验结果表明：相同流量工况下，含量为1.0%的含沙水空化流动中，临界空化余量高于清水介质下的值且含沙水流条件下扬程高于清水介质下的扬程。含量为1.0%与3.0%的含沙水空化流动中，扬程与有效空化余量变化较小，且随含量增大，临界空化余量增大。. 空化的抑制主要通过在离心泵叶片工作面添加障碍物来实现。计算结果表明：添加障碍物后，空化充分发展时，湍动能变小且有效阻止了低压区向外扩张，使得旋转周期内空泡体积明显减少，压力脉动主频幅值变小，扬程变大，说明添加障碍物能有效抑制空化的发展。. 本项目共计发表学术论文25篇，其中EI收录9篇，硕士学位论文3篇；培养研究生7人（已毕业3人）。参加国际学术会议15人次、国内学术会议18人次；本项目的研究成果为含沙水流条件下水力机械的空化空蚀机理等方面的深入研究奠定了前期工作基础。