【摘要】：空化現象常存在于各種水動力系統當中,如泵、水輪機、螺旋槳、水翼、水下潛體等�？栈�流問題涉及多相流、湍流、可壓縮和超音速等復雜的流動現象,它能引起機器性能下降、機組運行的穩(wěn)定性、機器振動、噪聲、空蝕和磨蝕等一系列問題。我國的大部分河流含有泥沙,沙粒的存在使得空化的發(fā)生幾率大大增加,且含沙水時的瞬態(tài)空化流動誘發(fā)的壓力脈動,使得水力機械的振動、噪聲、空蝕問題大大加劇。因此亟待對含沙水時水力機械內的非定�？栈�流進行研究,為解決在含沙水條件下運行的水力機械內的空化空蝕問題提供一定的參考。本文對二維NACA0015水翼和離心泵的清水及含沙水的瞬態(tài)空化流動進行數值模擬,以探究沙粒粒徑和含量對水翼和離心泵瞬態(tài)空化性能的影響。主要研究內容及結果如下:以二維NACA0015水翼為研究對象,基于Schnerr-Sauer空化模型、RNG k-ε湍流模型、Mixture模型,分別對水翼進行清水和含沙水時非定�？栈�的數值模擬,所用沙粒粒徑分別為0.01mm、0.05mm、0.15mm,含沙量分別為5%、10%、20%,結果表明:當含沙量為10%,粒徑分別為0.01mm、0.05mm、0.15mm時,相比清水含沙時升阻力系數曲線脈動幅度明顯強烈,平均升力系數明顯降低,隨粒徑的增大,平均升力系數逐漸增大,升阻比先升高后降低,均小于清水的升阻比。清水時空泡脫落頻率為20Hz,粒徑為0.01mm、0.05mm、0.15mm時頻率分別為16.7Hz,16.7Hz,20Hz,隨沙粒粒徑的增大,相應的斯特勞哈爾數先降低后升高。當粒徑為0.05mm,含沙量分別為5%、10%、20%時,含沙時的周期性振蕩則更加強烈,隨含沙量的增加,升阻比逐漸降低;隨沙粒含量的增大,空泡脫落頻率逐漸變小,斯特勞哈數逐漸降低。以某離心泵為研究對象,采用Zwart-Gerber-Belamri空化模型和SST k-ω湍流模型,分別對其進行清水和含沙水介質時瞬態(tài)空化的數值計算,所取沙粒粒徑分別為0.005mm、0.025mm、0.05mm,沙粒含量選擇了1%、5%、10%,數值模擬結果表明:當含沙量為5%,粒徑分別為0.005mm、0.025mm、0.05mm時,空化充分發(fā)展時,一個完整周期內含沙時空泡體積均大于清水時的空泡體積,清水時空泡持續(xù)衰減,含沙時空泡均呈現出先衰減后增長再衰減的趨勢,空泡衰減速度均高于清水時空泡的衰減速度。不同粒徑時,各點振幅基本隨頻率增大而減小,壓力脈動的主頻均為葉頻,各監(jiān)測點主頻幅值最大的點為隔舌處,其次為靠近葉輪出口的點;空化數降低時,各監(jiān)測點壓力脈動幅值急劇上升。當粒徑為0.25mm,含沙量分別為1%、5%、10%時,空化初生時,當含量為5%時空泡體積變化速度較為穩(wěn)定,空泡體積增減趨勢與清水時基本一致,含量為1%和10%的空泡體積變化趨勢一致�？栈�充分發(fā)展時,葉輪出口的局部旋渦較嚴重。揚程隨含沙量的增大逐漸降低。在整個周期內,含沙量越高,空泡體積的增長衰減越劇烈。不同含沙量時,各監(jiān)測點的壓力脈動主要集中在1500Hz以下的低頻區(qū),靠近葉輪流道中間處和出口的點,主頻倍數頻率衰減較慢。含沙時葉輪出口處和蝸殼隔舌處的點的壓力脈動主頻幅值均比清水時低;隨空化數的減小,各監(jiān)測點處的壓力脈動強度增大,葉頻處脈動幅值增加的最為明顯。
【學位授予單位】：蘭州理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TH311

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本文編號：2754840