不同空化数下轴流泵叶顶间隙区空化特性_张德胜
轴流泵空化流及其诱导压力脉动的数值模拟_张德胜
第１期
张 德 胜 ，等 ：轴 流 泵 空 化 流 及 其 诱 导 压 力 脉 动 的 数 值 模 拟
· ３５ ·
轴流泵在常规工况下叶轮和导叶动静相干诱 导的压力脉动已 有 了 较 多 的 研 究，揭 示 了 叶 频 是 动静相干的主频，谐频为主频的倍数［１－３］．然 而，轴 流泵运行工况经 常 变 化，在 非 设 计 工 况 下 容 易 产 生空化，在空化工 况 下 泵 内 部 压 力 脉 动 将 诱 导 强 烈 的 水 力 激 振 ，使 泵 产 生 强 烈 的 振 动 和 噪 声 ．随 着 空化模型的不断 完 善，通 过 数 值 模 拟 手 段 研 究 水 力机械内部非定常空化特性已成为热门的研究方 向［４－７］．Ｋｕｂｏｔａ等 在 ［８］ Ｒａｙｌｅｉｇｈ－Ｐｌｅｓｓｅｔ方程基 础 上提出了基于空 泡 动 力 学 的 两 相 流 模 型，较 好 地 模拟了绕二维 ＮＡＣＡ 水 翼 的 云 状 空 泡 云 的 发 展 特性；Ｍａｓａｓｈｉ Ｆｕｋａｙａ等［９］基 于 数 值 模 拟 提 出 了 轴流泵内 空 泡 运 动 规 律；Ｋｏｈｅｉ Ｏｋｉｔａ 等 基 ［１０］ 于 数值模拟讨论了 诱 导 轮 内 部 非 定 常 空 化 流．本 研 究以 ＺＢＭ７９１－１０００型轴流泵模型为研究对象，对 轴流泵的非定常 空 化 流 场 进 行 数 值 模 拟，并 通 过 试验验证计算结 果 的 准 确 性，分 析 模 型 泵 在 不 同 空化余量 下 轴 流 泵 内 部 不 同 位 置 的 压 力 脉 动 特 性 ，旨 在 揭 示 空 化 工 况 下 泵 内 部 压 力 脉 动 的 规 律 ．
图 １ 轴流泵三维模型图
基于密度修正的滤波器模型在轴流泵叶顶区空化数值模拟中的应用与验证
基于密度修正的滤波器模型在轴流泵叶顶区空化数值模拟中的应用与验证石磊;张德胜;陈健;潘大志;耿琳琳【摘要】A model of axial flow pump was selected to deeply understand the structure of flow field and the cavitation morphology in the tip region of impeller by numerical simulation and visualized experimental study.The resutls indicate that the density correction method based filter based method (DCMFBM)can accurately predict the value of cavitation number NPSHR.The biggest prediction error of DCMFBM is smaller by 3% than the SST k-ωturbulence mode l.The tip leakage flow and leakage vortex develop fully in the tip region,and then the leakage flow develops towards the middle and back of rim with the increase of flow rate,moreover the angle between leakage vortex and suction side decreases and the effect of leakage flow on the pressure side of neighboring blade is also decreased.The axial velocity in tip region decreases at first and then increases,separation occurs on the corner of pressure side while the leakage flow enters into the gap,forming an angular vortex near the wall of tip,and the leakage flow will re-attach to the wall of tip when it leaves the gap.The turbulent kinetic energy increases at first and then decreases,and the peak decreases with the increase of chord length coefficient.The cavitation performance curve and the comparison of tip leakage vortex cavitation morphologies verify the applicability of DCMFBMturbulence model.By using the high speed photography,it is shown that along withthe development of cavitation the tip leakage flow cavitation,jet shear layer cavitation and leakage vortex cavitation constitute a triangular structure,and the cavity will fall off from the trailing edge,showing an unsteady characteristic of tip leakage vortex cavitation.%为了准确揭示轴流泵叶轮叶顶区的流场结构和空化形态，选用某一模型轴流泵进行数值模拟和空化可视化试验研究。
叶顶间隙对喷水推进轴流泵空化性能影响
叶顶间隙对喷水推进轴流泵空化性能影响韩吉昂;李普泽;钟兢军【摘要】Standard k-ε turbulence model and mixture multiphase flow model were adopted to simulate the flow field of the waterjet axial-flow pump under five tip clearances.The influence of tip clearances on the cavitation characteristics of waterjet axial-flow pump was analyzed.The results show that the cavitation occurs at the impeller blade inlet edge close to the tip region firstly with the reduction of available net positive suction head, then expands gradually toward the outlet edge of impeller blade, hub and pressure surface.The required net positive suction head of pump increases with the increasing of tip clearance, the cavitation area on blade suction surface gets larger, anti-cavitation performance weakens at the same time.The presence of tip clearance leads to the axial velocity at blade outlet gradually decreases at the region 20 percent of the impeller blade in radial direction close to 20% of the gap region, at the same available net positive suction head, the lowering speed of axial velocity accelerates with the increase of tip clearance.%采用标准k-ε湍流模型和Mixture多相流模型对喷水推进轴流泵五种不同叶顶间隙下的流场进行数值模拟;并对其不同叶顶间隙下的空化性能进行分析.结果表明,随着装置空化余量的降低,空化最先在叶轮进口轮缘附近发生;然后逐渐向叶轮出口边、轮毂及压力面方向扩展开去.随叶顶间隙的增大,临界空化余量逐渐增大;且叶片吸力面空化面积增大,抗空化性能下降;叶顶间隙的存在导致叶轮出口轴向速度在靠近间隙的20%叶高区域降低;在相同装置空化余量下,叶轮出口轴向速度下降的速度随叶顶间隙值的增大而加快.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2016(016)033【总页数】7页(P130-136)【关键词】喷水推进轴流泵;叶顶间隙;数值模拟;空化性能【作者】韩吉昂;李普泽;钟兢军【作者单位】大连海事大学轮机工程学院,大连 116026;大连海事大学轮机工程学院,大连 116026;大连海事大学轮机工程学院,大连 116026【正文语种】中文【中图分类】U664.34喷水推进器具有操纵性好、机动性高、抗空化能力强、高速时推进效率高、船外附体少而阻力小及振动与噪声低等优点，已在高速客渡船及军用舰船[1—3]上得到了应用；并逐渐应用于大排水量、高航速、高性能船舶，具有良好的市场应用前景。
轴流泵叶顶区的空化流场与叶片载荷分布特性_张德胜
1.3 湍流模型及局部可压缩性修正 SST k-ω 湍流模型考虑到湍流剪切力的运输， 能够适应逆压梯度变化的流动现象，在轴流泵叶顶 区流场计算中有着较理想的效果。但需要指出，该 湍流模型是针对单相流动发展起来的，而没有考虑 可压缩多相混合物的流动问题，导致对湍流黏度的 过度预测，从而影响空泡的发展情况。为了提高对 轴流泵内空化的预测精度，根据 Coutier-Delgosha 等[16]的思想，考虑到气液混合区域局部可压缩性的 影响，本文对湍流黏度 μt 作相应的修正。
3rnuc (1 v ) v 2 pv p ，p p v Fe RB 3 l m 3 v v 2 p pv ， p pv Fc R 3 l B
密度 ρv=0.02558 kg・m3。 1.6 网格无关性分析 网格质量以及网格类型的好坏直接影响数值 计算的稳定性和精度，随着网格数量的增加，由网 格引起的求解误差会逐渐缩小，因此对计算区域特 别是叶轮区域进行网格无关性分析具有非常的必要 性。网格数越多，对计算机的要求越高，计算周期 就会越长，因此选择合适的网格数目对于数值计算 准确性以及缩短计算周期具有非常重要的影响。本 文对研究的模型泵选用三种不同叶轮网格数并在设 计工况下进行网格无关性分析。三种叶轮典型网格 信息如表 1 所示。表 2 为运用三种网格模型计算的 扬程、效率结果、计算精度、计算时间以及电脑 CPU 使用率等；从表中可以看出，三种网格模型 对扬程计算结果的影响较小，且同样收敛到 105 时，计算时间和计算机内存使用率随着网格数的 增加。考虑计算的积极性，选取了网格方案 2 进 行了数值模拟。
第 65 卷 第 2 期 2014 年 2 月
化 工 学 报 CIESC Journal
Vol.65 No.2 February ・ 501・
水气最大密度比对轴流泵空化计算的影响_施卫东
（ ρk） （ ρu i k） + = t x x j i
[(
μ t k μ+ σ k x j
) ] +G
k
+ ρε （ 4）
（ ρε） （ ρu i ε） + = t x i x j
μ ε [ (μ +σ ) x ] + C
t ε j ε1
为了表示最大密度比 ρ l / ρ v， clip 对空化速率的影 响， 对式（ 9 ） 进行处理， 将 ρ v， clip 变形得到 ρl ρv = ρ 代入式（ 9 ） ρl v ρ v， clip
3 3 度比 43 197 （ ρ l = 997 kg / m ， ρ v = 0. 023 08 kg / m ） 时， 预测的空泡含气率有了较大的提高 ， 空泡主体部 空泡长度由 0. 24 C 增加到 分的含气率在 0. 9 以上，
0. 42 C （ 图 2 中 C 为水翼弦长， x 为翼形表面位置 ） ， 与实验值 0. 4 C 基本吻合。 可见最大密度比对空化 计算的准确性有着重要影响。 1. 4 计算网格和边界条件 本文的研究对象为南水北调工程天津同台实验
3 Z d = 7， 转速 n = 1 450 r / min， 设计流量 Q = 392 m / h。
模型泵计算区域按照实验系统设置， 全流场的三维 实体布置如图 3 所示。通过 ICEM 软件对计算域进 在水力核心部件叶轮和 行六面体结构化网格划分， 导叶处进行局部网格加密处理， 最终得到的网格数 模型泵主要部件的网格如图 4 所示。 为 2 772 265 ， 数值计算的边界条件根据实际实验条件进行设 置， 泵进口采用总压进口， 出口采用质量流量出口， 壁面采用光滑无滑移壁面， 参考压力为 101 325 Pa， 以 stage 模式处理动静交界面数据传递， 设置收敛精 度为 10
轴流泵叶顶区的空化流场与叶片载荷分布特性
（ Ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ Ｃ ｅ ｎ ｔ ｅ ｒ ｏ ｆＦ ｌ ｕ ｉ ｄ Ｍａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｒ ｙ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇａ ｎ ｄＴ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｊ ｉ ａ ｎ ｇ ｓ ｕ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ， Ｚ ｈ ｅ ｎ ｊ ｉ ａ ｎ ｇ ， ２ １ ２ ０ １ ３ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
Ａｂｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｉ ｎ ０ ｒ ｄ ｅ ｒ ｔ ｏ ｔ ａ ｋ ｅ ｉ ｎ ｔ ｏ ａ ｃ ｃ ｏ ｕｎ ｔ ｔ ｈｅ ｌ ｏ ｃ ａ ｌ ｄ ｅ ｎｓ ｉ ｔ ｙ ｏｆ ｇ ａ ｓ — ｌ ｉ ｑ ｕｉ ｄ ｍｉ ｘ ｉ ｎｇ ａ ｒ ｅ ａ ｉ ｎ ｃ ａ ｖ ｉ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｌｏ ｆ ｗ ｉｅ ｆ ｌ ｄ ｉ ｎ
Ｃａ ｖ ｉ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｌｏ ｆ ｗ ａ ｎｄ ｂｌ ａ ｄｅ ｌ ｏ ａ ｄ ｉ ｎｇ ｃ ｈａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｉ ｎ ｉ ｍ ｐｅ ｌ ｌ ｅ ｒ ｔ ｉ ｐ ｒ ｅ ｇ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ａ ｘ ｉ ａ ｌ ｌｏ ｆ ｗ ｐｕｍ ｐ
张德 胜 ，潘大 志 ，施卫 东 ，邵佩佩 ，王海 宇 ，李 通通
（ 江苏大学流体机械工程技术研究中心，江苏 镇江 ２ １ ２ ０ １ ３ ）
摘要：针对轴流 泵叶顶 区空化流气液混合 区域密度变化 ，以 Ｓ Ｓ Ｔ ｋ － ｃ ｏ湍流模 型为基础 ，对湍流黏度项进行 了修 正。
轴流泵多工况空化特性数值计算
ｏ ｎ ｉ ｍｐ ｅ ｌ ｌ ｅ ｒ ｂ ｌ ａ ｄ ｅ ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ｓ ｄ ｅ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｄ， ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｗｏ ｒ ｋ
ｂ ｙ ｔ ｈｅ ｂ ｌ ａ ｄｅ ｄ ｅ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｄ， ｗｈ ｉ ｃ ｈ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｉ ｎ ｃ ｈ ａ ｎｇ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈｅ ｐｕ ｍｐ ｈ ｅ ａ ｄ ａ ｎｄ ｐ ｏｗｅ ｒ Ｔｈ ｅ ｖ ａ —
运 行 不稳 定 的 因素之 一 。
关键词： 轴 流泵 ； 空化 ； 完 全空 化模型 ； 额 定 工
况； 非 额定 工况 中图分 类 号 ： ＴＨ３ １ ２
文献标 识 码 ： Ａ 文章编 号 ： １ ０ ０ １ —２ ２ ５ ７ （ ２ ０ １ ３ ） ０ １ —０ ０ ５ ７ —０ ３
Ｍｕ ｌ ｔ ｉ — — ｏ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｎｇ Ｃｏ ｎｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎｓ
ｘｕ ｗｅ ｉ ， ＨＵＡＮＧ Ｑｉ —ｂ ａ ｉ
（ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ， Ｈｕ ａ ｚ ｈ ｏ ｎ ｇ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｗｕ ｈ ａ ｎ ４ ３ ０ ０ ７ ４， Ｃｈ ｉ ｎ ａ ）
摘要 ： 基 于完全 空化 模型 ， 应 用计 算流 体动 力 学 （ Ｃ Ｆ Ｄ） 技术， 计 算 了轴 流 泵 在 不 同进 口流 量条 件 下
的 全 流 道 流 场 。研 究 了 不 同进 口 流 量 条 件 下 ， 轴 流
不同空化数下轴流泵叶顶间隙区空化特性_张德胜
Test bench of axial flow pump
试验系统主要由稳压罐、 汽蚀罐、 进出口测压 管、 增压泵、 涡轮流量计、 转速转矩仪、 调节阀和模型 泵等组成。转速转矩仪测量泵轴转速、 转矩和轴功 率， 泵扬程由进出口压力传感器测量 ， 流量由涡轮流 并由采集系统输送到计算机自动记录不 量计测量， 同工况下的外特性。 轴流泵空化试验高速摄影系统如图 4 所示。 全 透明模型泵卧式安装在泵模型段， 如图 5 所示。 高 Serise 4L 型高速摄影 速摄影采用美国 IDE 公司 Y最大拍摄速度 256 000 帧 / min， 本次试验设置的 机， 采样频率为 5 000 Hz， 曝光时间为 107 μs， 采用卤光 灯进行拍摄补光。
引言
轴流泵广泛应用于农田灌溉、 水利调水、 核电火 电、 船舶喷 水 推 进 和 导 弹 发 射 等 国 民 经 济 重 要 领 域
［1 ］
种不同结构的转轮的泄漏空化涡带进行了拍摄 ， 观 察到不 同 叶 顶 断 面 形 状 产 生 的 泄 漏 空 化 涡 的 特 征
［17 ］
。
。轴流泵叶轮和端壁间不可避免地存在间隙
叶轮网格信息
网格质量 0. 53 0. 59 0. 62 设计扬程 / m 计算扬程 / m 2. 99 2. 99 2. 99 2. 901 2. 973 2. 972
Information of impeller grids
式中
— —气相体积分数 αv — pv — — —汽化压力， Pa
槡
式中经验常数分别为： 蒸发系数 F e = 50 ； 凝结系数 F c = 0. 01 ； 气核的体积分数 r nuc = 5 × 10 － 4 ； 空泡半径 Ｒ B = 10 － 6 m。 考虑湍流压力脉动 p turb 对汽化压力的影响， 对 p v 修正如下 p v = p sat + p turb 2 （ 3） （ 4）
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， 本文也对湍流粘度 μ t 作 （ 1）
用总压进口， 出口采用质量流量出口， 壁面采用光滑 无滑移壁面， 参考压力为 101 325 Pa， 以 stage 模式处 理动静交界面数据传递， 设置收敛精度为 10
－5
。
μ t － mod = μ t f（ n） 其中 ρv + α （ ρl － ρv ） f（ n） = ρv + αl （ ρl － ρv ）
大涡模拟发现轴流式转轮端壁区复杂流场中泄漏涡 占主导地位， 并基于端壁区压力场分析出叶顶间隙 附近涡核的低压区是导致空化的主要原因
［13 － 14 ］
。
Wu 等对喷水推进泵叶顶间隙泄漏涡的流场结构以 及湍动能等分布通过 PIV 实验进行实验测量和分 析
［15 － 16 ］
。Laborde 等通过高速摄影对前弯和后弯几
2014年2月 doi： 10． 6041 / j． issn． 10001298． 2014． 02． 020
农 业 机 械 学 报
第 45 卷 第 2 期
不同空化数下轴流泵叶顶间隙区空化特性
张德胜 王海宇 施卫东 邵佩佩 潘大志
（ 江苏大学流体机械工程技术研究中心 ，镇江 212013 ）
*
摘要： 基于修正的 SST kω 湍流模型和空化模型， 对叶顶间隙为 0. 5 mm 轴流泵模型进行了数值计算 ， 分析了不同 空化数下叶顶区不同圆柱截面的空化面积 、 叶轮出口轴向速度以及叶顶区空泡体积分数等特性 。 数值计算与高速 摄影试验结果表明， 数值模拟方法准确预测了轴流泵 NPSH 曲线和叶顶区空化流场 ； 轴流泵初生空化出现在叶顶 区， 其空化类型主要包括刮起涡空化 、 泄漏流空化、 卷吸区空化及叶顶泄漏涡空化 ； 在空化数为 0. 451 时， 叶顶泄漏 随着空化数的逐渐降低 ， 叶顶泄漏涡卷吸区的空化范围逐渐扩展 ， 并与泄漏流空化区 涡具有明显的涡带空化特性 ， 连成一片， 且空泡云扩展到整个叶片吸力面 ； 在间隙泄漏流作用下， 叶轮出口轴向速度在靠近间隙区域逐渐降低 ， 并随着空化数减小， 轴面速度进一步下降； 在不同空化数下， 叶片吸力面圆周截面空化面积系数从轮毂到轮缘先增 大， 在叶片中部达到最大值 ， 然后迅速减小， 在叶顶区由于受到间隙效应的影响 ， 叶顶区空化面积迅速增大 。 关键词： 轴流泵 空化 叶顶泄漏涡 轴面速度 高速摄影 中图分类号： TH311 文献标识码： A 1298 （ 2014 ） 02011507 文章编号： 1000-
Test bench of axial flow pump
试验系统主要由稳压罐、 汽蚀罐、 进出口测压 管、 增压泵、 涡轮流量计、 转速转矩仪、 调节阀和模型 泵等组成。转速转矩仪测量泵轴转速、 转矩和轴功 率， 泵扬程由进出口压力传感器测量 ， 流量由涡轮流 并由采集系统输送到计算机自动记录不 量计测量， 同工况下的外特性。 轴流泵空化试验高速摄影系统如图 4 所示。 全 透明模型泵卧式安装在泵模型段， 如图 5 所示。 高 Serise 4L 型高速摄影 速摄影采用美国 IDE 公司 Y最大拍摄速度 256 000 帧 / min， 本次试验设置的 机， 采样频率为 5 000 Hz， 曝光时间为 107 μs， 采用卤光 灯进行拍摄补光。
图3 Fig． 3
1． 汽蚀罐 6． 阀闸 7． 稳压罐 2． 增压泵
轴流泵试验台示意图
3． 流量计 4． 调节阀 5． 全试验 泵
通过逐步降低轴流泵模型进口压力的方法来减小轴 流泵的空化数， 并计算此时泵的扬程。 图 6 为叶顶间隙 δ = 0. 5 mm 轴流泵模型在设计 流量工况下的空化性能曲线数值计算结果与试验值 对比图。从图中可以看出 CFD 预测的空化性能曲 线与试验结果吻合较好， 轴流泵模型在设计流量工 况下的临界空化数试验值与预测值相对误差较小 ， 满足计算精度的要求， 验证了数值模拟方法预测轴 流泵空化特性的可行性。
［11 ］ ［10 ］
1
1. 1
轴流泵模型与模拟方法
几何模型 本文选取南水北调工程天津同台实验的 TJ04-
。 张德胜等数值
分析了轴流泵叶顶间隙区轴面速度和环量等参数的 。Okita 采用 LES 数值模拟发现间隙泄
［12 ］
漏涡带对流道造成了流动堵塞
。 Masahiro 基于
ZL02 型轴流泵模型为原型泵， 以其等比例缩放后 叶轮直径为 200 mm 的模型泵为研究对象。 过流部 件主要有叶轮、 导叶以及后部支撑板， 叶轮叶片数 z = 4， 导叶叶片数 z' = 7 ，转速 n = 1 450 r / min。模型 泵结构图如图 1 所示。 1. 2 网格划分 叶轮选用 C 型网格拓扑结构环绕叶片拓扑， 且
图4 Fig． 4
引言
轴流泵广泛应用于农田灌溉、 水利调水、 核电火 电、 船舶喷 水 推 进 和 导 弹 发 射 等 国 民 经 济 重 要 领 域
［1 ］
种不同结构的转轮的泄漏空化涡带进行了拍摄 ， 观 察到不 同 叶 顶 断 面 形 状 产 生 的 泄 漏 空 化 涡 的 特 征
［17 ］
。
。轴流泵叶轮和端壁间不可避免地存在间隙
p turb = 0. 39 ρ m k 式中
图2 Fig． 2 计算域结构化网格 Structured mesh of computational domain
（ a） 全局网格 （ b） 叶片局部网格
p sat — — —饱和蒸气压力， Pa k— — —湍动能， m 2 / s2 数值计算方法及主要边界条件 S 方程用有 在 ANSYS CFX 平台， 对雷诺时均 N-
泄漏流， 泄漏流对叶轮区域流场结构、 能量传输、 负 荷能力及损失有着重要影响 ， 且泄漏流涡核处 压力较低， 常常诱导空化的发生， 泄漏涡的空化将干 涉流场结构， 破坏流动的稳定性， 且对转轮外缘和端 壁区产生空蚀破坏， 对轴流泵的运行稳定性、 振动噪 ［7 － 9 ］ 。 近几年， 国内外均对轴 声等都有重要的影响 流泵叶顶间隙泄漏流和泄漏涡进行了较为广泛的研 究。施卫东等采用数值模拟对不同叶顶间隙下轴流 泵内部流场和涡带进行了预测 分布特性
3 1 000 kg / m3 ， 气相密度 ρ v = 25. 58 g / m 。 数值计算 泵进口采 的边界条件根据实际试验条件进行设置，
能够适应逆压梯度变化的流动现象， 在轴流泵叶顶 区流场计算中有着较理想的效果 。但其是针对单相 流动发展起来的， 而没有考虑可压缩多相混合物的 流动问题， 导致对湍流粘度的过度预测， 从而影响空 泡的发展。的思想， 根据 Coutier考虑到气液混合区域 局部可压缩性的影响 相应的修正， 即
表1 Tab． 1
方案 1 2 3 1 828 112 2 597 576 3 632 580 叶轮网格数
输率为 3 r nuc （ 1 － α v ） ρ v 2 p v － p Fe ＲB 3 ρl m= 3α ρ 2 p － pv Fc v v 3 ρl ＲB
槡
（ p ＜ pv ） （ 2） （ p ＞ pv ）
［2 － 6 ］
轴流泵叶顶泄漏流中伴随的空化现象对流动也 具有重要的影响， 空化所带来的破坏问题也越来越 叶 得到重视。由于轴流泵叶顶间隙的尺度非常小， 顶区微观流场的空化流计算存在一定的难度 ， 研究 进展也较缓慢， 本文采用修正的 SST kω 和可压缩 并进行高速摄影试 空化模型计算叶顶区空化流场， 验验证， 旨在深入掌握轴流泵内部复杂空化特性 ， 为 控制叶顶区空化和空蚀提供理论依据 。
n l
2
试验测量装置
模型泵外特性测试和空化可视化试验在江苏大
第2 期
张德胜 等： 不同空化数下轴流泵叶顶间隙区空化特性
117
学 250 不锈钢轴流泵闭式试验台上进行， 试验装 置如图 3 所示。
图5 Fig． 5
试验模型泵
Experimental pump model
流量工况下的数值计算和试验获得的空化性能曲线 进行对比。在空化数值计算中， 给定出口质量流量，
叶轮网格信息
网格质量 0. 53 0. 59 0. 62 设计扬程 / m 计算扬程 / m 2. 99 2. 99 2. 99 2. 901 2. 973 2. 972
Information of impeller grids
式中
— —气相体积分数 αv — pv — — —汽化压力， Pa
槡
式中经验常数分别为： 蒸发系数 F e = 50 ； 凝结系数 F c = 0. 01 ； 气核的体积分数 r nuc = 5 × 10 － 4 ； 空泡半径 Ｒ B = 10 － 6 m。 考虑湍流压力脉动 p turb 对汽化压力的影响， 对 p v 修正如下 p v = p sat + p turb 2 （ 3） （ 4）
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农
业
机
械
学
报
2014年
式中
— —修正后的涡动力粘度， Pa · s μ t － mod — — —未修正的涡动力粘度， Pa · s μt — — —气相密度， kg / m ρv — — —液相密度， kg / m ρl — — —液相体积分数 αl —
3 3
图1 Fig． 1
轴流泵结构图
Cross section of axialflow pump
1． 转轮室 2． 支撑板 3． 叶轮 4． 叶顶间隙 5． 导叶 6． 泵轴
环绕， 并对叶轮叶顶间隙区设置 15 ～ 30 层网格， 导 H 。 叶采用 型网格拓扑结构 计算区域特别是叶轮 区域对网格无关性具有重要影响， 本文对模型泵选 用 3 种不同叶轮网格数并在设计工况下进行网格无 3 种叶轮的网格信息如表 1 所示。 根据 关性分析， 表中信息可知， 方案 2 和 3 均能够满足扬程计算精 度的要求， 但为了捕捉叶顶区的流场细节， 本文选择 了叶顶区加密的方案 3 ， 如图 2 所示。