翼型间隙泄漏涡空化机理研究

论文摘要

间隙泄漏流动是一种在水力机械中非常常见的现象。由于间隙中剪切流动的存在,其附近及下游流场中,易出现涡旋结构。在部分流速相对较高,压力相对较低的工况下,由间隙泄漏引起的空化现象常常发生。这类现象会对水力机械的效率产生不利的影响,引起振动以及局部设备材料的侵蚀剥落。这类流动伴随着强烈的非定常特性和多样的二次流动,具有非常复杂的流动机理,而空化引起的汽液两相间的质量相互输运,使泄漏涡空化的机理更加复杂。因此,本文针对这类流动的流动特性进行实验和数值计算的研究。本文主要以不同间隙尺寸的三维水翼为研究对象,对不同条件下,间隙翼型流场中的压力脉动,涡量等流动特性进行分析,研究各种特性之间的相互关系,分析不同因素对间隙空化的影响。主要内容如下:首先针对为发生空化的带间隙翼型流动进行了实验和数值计算。实验中对监测点的压力脉动进行了测量。并对多个不同条件下的压力脉动的数据进行了时域和频域分析,发现布置在翼型间隙侧前缘位置的传感器的压力脉动幅度,与布置在后缘位置的相比,后者的整体幅度更大,且该幅度随着翼型攻角的增大,有较为明显的提高。利用FFT实现的频域分析给出了带有间隙的翼型绕流流场中各个传感器监测点的压力脉动频域特性。结果表明对于不同的流量、攻角等条件,各个传感器处的压力脉动较低的主要频率保持较为稳定,但更大的攻角和流量会导致一些较高的脉动频率的出现。另外,靠近间隙侧翼型后缘上方处流场的压力脉动,受翼型间隙尺寸的影响较为明显。数值计算分析了未发生空化的间隙翼型流动下游的涡量进行了分析,通过涡量区域的强度与相对位置,解释了不同流场参数对流动的具体影响。随后利用数值模拟对带有间隙的翼型绕流模型进行了数值模拟,对比了不同RANS模型对于流动特征计算的准确程度。发现RANS模型对于由泄漏涡引起的空化涡带长度预测均有一定的不足,且间隙较大时,由于对泄漏涡速度预测过低,各种模型对于泄漏涡起始点的预测均有较大误差。最后,由于现有文献中对空化与湍动能的关系的分析较少。利用现有湍动能对空化影响的关系,对间隙空化进行分析。获得了湍动能与流场中涡量分布的关系的规律,并分析了湍动能在时间上变化的规律。结果表明两者的分布相关性很高。通过湍动能与矢量云图,比较分析了翼型压力面圆角对泄漏流动的影响,并揭示了其不同的流动特性。

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第一章绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 空化流动实验研究现状

1.3 数值模拟和理论的研究

1.4 本文的主要研究工作

第二章非空化的有间隙翼型流动研究

2.1 实验研究

2.1.1 实验系统介绍

2.1.2 实验结果及分析-压力脉动数据

2.2 数值计算研究

2.3 本章小结

第三章翼型间隙空化的湍流模型及特性研究

3.1 数学模型

3.1.1 控制方程及湍流模型

3.1.2 空化模型

3.2 数值计算

3.2.1 网格与设置

3.2.2 不同间隙条件下汽相体积分数分析

3.2.3 不同攻角、间隙主流方向速度对比

3.2.4 非稳态计算分析

3.3 本章总结

第四章湍动能修正对间隙空化数值计算的影响分析

4.1 空化计算湍动能修正分析

4.2 湍动能修正的定常计算分析

4.2.1 空化区域分析

4.2.2 湍动能与涡量分析

4.3 湍动能修正的非定常计算分析

4.4 边缘圆角对翼型间隙泄漏空化的影响分析

4.5 本章总结

第五章结论与展望

5.1 内容总结

5.2 创新点

5.3 后续工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的学术成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 陆于衡

导师: 冉红娟

关键词: 泄漏涡,湍动能,空化,湍流模型

来源: 上海交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地球物理学,水利水电工程

单位: 上海交通大学

分类号: TV135

DOI: 10.27307/d.cnki.gsjtu.2019.001532

总页数: 85

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