本文關(guān)鍵詞：混流泵及水翼加速流工況瞬態(tài)空化特性的數(shù)值模擬與實驗研究　出處：《江蘇大學(xué)》2016年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：混流泵具有流量大、揚程高、高效區(qū)范圍寬等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉、市政給排水、電廠循環(huán)水等國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域�；炝鞅盟矐B(tài)空化是潛艇武器發(fā)射裝置急需解決的難題之一,研究加速流工況瞬態(tài)流場特性和空化形態(tài)是解決該問題的基礎(chǔ)。在密閉的液壓系統(tǒng)中,混流泵快速啟動產(chǎn)生高強度水壓,推動魚雷加速出倉,發(fā)射武器。在這一過程中涉及到啟動過程,啟動過程與穩(wěn)態(tài)過程相比具有很大的差異,因為啟動過程涉及到很多參數(shù),同時這些參數(shù)是隨著時間發(fā)生變化,具有很強的不確定性。當(dāng)液壓艙中壓力不足時,啟動過程中就可能會出現(xiàn)空化,影響發(fā)射過程,同時水泵內(nèi)部由于空化產(chǎn)生的振動與噪聲更容易被雷達(dá)測探出,安全性降低。因此研究啟動過程中的瞬態(tài)空化特性具有很好的意義,可以為我國國防裝備領(lǐng)域混流泵“高速化、大型化”發(fā)展提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)保障。本文在國家自然科學(xué)基金“混流泵加速流工況瞬態(tài)空化形態(tài)及其誘導(dǎo)水力振蕩特性研究(51579118)”的資助下,主要對水翼和高比轉(zhuǎn)速混流泵進(jìn)行研究。首先對水翼加速流工況進(jìn)行了數(shù)值模擬,采用NACA0015模型對加速流工況下的DES湍流模型進(jìn)行驗證,然后選用NACA66(mod)模型進(jìn)行了非定�？栈匦缘哪M驗證。最后采用NACA66(mod)的二維模型對其進(jìn)行了3種不同加速流工況下空化特性的數(shù)值模擬。具體分析了3種不同加速度下(a1=5m/s2、a2=2.5m/s2、a3=1m/s2)空化的發(fā)展過程及規(guī)律、速度場的變化規(guī)律、翼型升阻力特性和內(nèi)部空泡體積分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律。然后對混流泵外特性、空化性能和啟動過程進(jìn)行了多次重復(fù)性實驗研究,分析了啟動過程的瞬態(tài)規(guī)律和空化機理。主要研究工作及取得的成果如下:(1)分離渦湍流模型(DES)和基于Rayleigh-Plesset方程的Zwart空化模型可以較好地預(yù)測繞水翼加速流下空化情況。在加速啟動過程中,空泡首先在翼型的前緣產(chǎn)生,經(jīng)過一段時間后發(fā)展壯大,然后在翼型尾翼處分離,前緣處空泡減少,尾翼處空泡增加并向后衍生,直至破裂。不同加速情況下,空化都首先產(chǎn)生于總加速時間的0.6倍左右,在總加速時間的1.12倍左右結(jié)束第一個周期。翼型前緣小型旋渦是由主流和回射流共同作用而產(chǎn)生的,尾翼順時針方向大型旋渦是由強烈的回射流作用而產(chǎn)生的。同時隨著時間的推移,翼型前緣處旋渦消失,尾翼處旋渦增強。不同加速度下翼型升、阻力系數(shù)的變化趨勢是一致的,開始先從一個較大的值快速下降到較小值,然后平穩(wěn)過渡到穩(wěn)定點,并且在該點左右達(dá)到了極大值,隨后成周期性振蕩走勢來回波動。加速度越大,升力和阻力的振蕩范圍越小,同時振蕩也越平穩(wěn),沒有出現(xiàn)小加速度時升力和阻力的突升和突降現(xiàn)象。(2)通過外特性實驗獲得了模型泵最高效率點所對應(yīng)的流量在433m3/h左右,揚程為3.22m,效率為75.948%。通過空化實驗得到汽蝕余量NPSHr是穩(wěn)定揚程的3%即為2.9m。在進(jìn)行啟動實驗時,通過變頻器控制啟動時間,進(jìn)而得到不同的啟動加速度,從而獲得啟動過程的外特性實驗。本次啟動實驗做了1.1Q、1.05Q、1.0Q、0.9Q和0.8Q五組實驗,在五組不同流量實驗中,每組各選取了10s、15s和20s三種不同的啟動加速度。通過拍攝啟動到穩(wěn)態(tài)過程的30s時間,來獲得啟動過程的外特性。通過分析發(fā)現(xiàn),同組流量工況下,啟動時間越短,流量、轉(zhuǎn)速和揚程達(dá)到穩(wěn)定點所需時間越長,滯后現(xiàn)象越明顯,大約滯后2s左右。在大流量工況下,啟動時間越長,揚程開始上升的時間點越滯后。大流量工況相比于小流量工況,啟動開始階段,揚程的滯后更加明顯。在小流量工況下,啟動開始階段揚程沒有出現(xiàn)滯后,轉(zhuǎn)速也基本沒有出現(xiàn)滯后,而流量在不同加速時間工況下都出現(xiàn)了滯后現(xiàn)象,大約2s左右。(3)對混流泵啟動過程的空化特性進(jìn)行實驗,研究了0.8Q、0.9Q、1.0Q和1.05Q四種工況下10s、15s和20s啟動時間下空化現(xiàn)象。通過高速數(shù)碼攝像技術(shù),對其空化現(xiàn)象進(jìn)行拍攝,總共拍攝了25s啟動過程。在啟動空化實驗過程中,開始階段由于速度小,壓力沒有達(dá)到汽化壓力,沒有出現(xiàn)空化現(xiàn)象,當(dāng)啟動時間達(dá)到穩(wěn)定點后在葉輪葉頂處出現(xiàn)了空泡,隨后在葉輪流道內(nèi)出現(xiàn)空泡,產(chǎn)生很嚴(yán)重的空化。在相同流量下進(jìn)口壓力越小(空化數(shù)越小),空化發(fā)生的越嚴(yán)重。在-20k Pa時,空泡在葉輪葉頂附近聚集,流道內(nèi)基本沒有空泡。而當(dāng)進(jìn)口壓力降為-60k Pa時,空泡幾乎充滿了葉輪流道,空化非常嚴(yán)重。同時還可以發(fā)現(xiàn)在相同進(jìn)口壓力情況下,不同流量下的空化程度基本相同,區(qū)別性不是很大。
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TH313

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