轴流泵小流量工况条件下叶顶泄漏空化特性

作者:张德胜;吴苏青;施卫东;潘大志;王海宇;李通通 刊名:农业工程学报 上传者:冯海霞

【摘要】为了研究轴流泵小流量工况下叶顶泄漏涡的空化问题,该文以TJ04-ZL-02轴流泵水力模型为研究对象,基于修正的空化模型和SST k-ω湍流模型,分析了叶顶间隙泄漏涡的空化特性。数值计算结果表明,叶顶间隙内泄漏流在工作面拐角处产生分离涡空化,其与叶顶泄漏涡空化共同构成轴流泵的初生空化;在同一空化数下,不同叶片弦长系数的截面空化情况不同,随着弦长系数的增加,叶顶泄漏涡的空化区域和空泡体积分数逐渐增大。随着空化数减小,叶顶泄漏涡的卷吸区也出现空泡团,并与涡带连成一片形成空泡云。在小流量工况下,叶顶区工作面和背面压差较大,间隙轴向速度均出现矢量负值。高速摄影试验结果表明,在小流量工况下,随着空化数的降低,空化现象率先出现间隙内部,接着空化程度不断增加,泄漏涡导致的空泡急剧增加,形成的空泡云在叶片尾部区域发生爆破。当空化数为σ=0.187~0.232时,空泡布满了叶片背面,且叶顶区的空泡在轴向厚度增大,且在叶片后缘出现了明显的空泡脱落现象。

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0引言轴流泵在中国南水北调工程、大中型泵站、船舶喷水推进和潜艇水下导弹发射装置等国家重大战略工程上具有广泛的应用[1-4]。轴流泵转轮叶顶与端壁的相对运动以及叶顶前后压差作用产生了叶顶间隙流,其与叶片吸力面的主流相互作用形成泄漏涡(tipleakagevortex,TLV)。研究表明[5-10],泄漏涡干扰主流运动、降低水力效率、诱导涡带空化和旋转失速等不良流动。自上世纪50年代以来,研究者开始针对轴流泵叶顶间隙内的泄漏流动机理开展了细致的研究,但和气体透平机械相比,研究进展较慢[11-17]。1954年,Rains[18]建立了间隙流动模型,该模型可估算出泄漏流在吸力面顶部出口的流速,并能分析由于泄漏流引起的转轮效率变化,但不能计算流场 的微观流动结构;同时,Rains通过试验发现了轴流泵叶顶泄漏涡中的空化现象,并通过空泡分布观察到泄漏流在流道中卷成泄漏涡。后来,Chen等[19]也对叶顶间隙流动建立了简化模型,并推导出二维泄漏涡的运动轨迹坐标。近几年,随着CFD技术的迅速发展,轴流泵叶顶间隙大小对外特性的影响得到了广泛的研究。杨昌明等[20]采用标准k-湍流模型对3种叶顶间隙的轴流泵进行了多工况数值模拟,计算结果表明,随着叶顶间隙的增加,泵的扬程和效率降低,特别在大间隙与小流量工况条件下,扬程、效率和轴向速度减幅明显。戴辰辰等[21]基于商用软件CFX同样讨论了叶顶间隙对轴流泵外特性的影响,也得出了类似的结论,并分析出间隙泄漏涡是由于间隙泄漏流与主流发生卷吸而形成的。梁开洪等[22]研究了在不同间隙和不同工况条件下轴流泵叶顶泄漏涡的涡强度变化。张德胜等[23-24]通过数值计算和高速摄影试验研究发现,叶顶间隙对轴流泵性能和内部流动具有重要的影响,并通过数值模拟捕获到泄漏涡结构和涡核低压区,尤其在小流量工况下,叶顶泄漏涡的漩涡强度较大,其诱导的低压区范围也更大。因此本文重点研究小流量工况下(Q/Qopt=0.8)轴流泵叶顶泄漏的空化特性,阐明不同空化数条件下的叶顶 间隙泄漏空化发展规律,旨在进一步揭示叶顶泄漏涡诱导空化的机理。1泵几何模型与数值模拟方法1.1轴流泵模型本文选取了南水北调工程天津同台试验的TJ04-ZL-02号优秀轴流泵模型为原型泵,将其等比例缩放模型泵作为研究对象,缩放模型泵的叶轮直径为200mm。模型泵的额定参数:流量Qopt=390m3/h,选取小流量工况为Q/Qopt=0.8,即:Q=312m3/h。扬程H=3.1m,转速nrev=1450r/min。叶轮直径D2=200mm、轮毂比为0.4681、叶轮叶片数为4枚、导叶叶片数为7枚,导叶和叶轮外壁采用一体化筒式结构,材料为透明有机玻璃,装配图如下图1所示。图1模型泵结构图Fig.1Axial-flowpump2Dmodel1.2计算区域及网格根据模型泵的设计结构,计算区域包括泵内部全流场水体,叶轮进口和导叶出口进行5倍管路直径距离的延伸,主要计算域如图2所示。图2模型泵计算区域Fig.2ComputationdomainsandStructuralgrid计算区域均采用六面体结构化网格,叶轮选用J型拓扑结构,导叶选用H型拓扑结构。为控制叶片近壁面的边界层分布,选用O型拓扑环绕,通过O型网格控制叶片表面边界层和其附近网格质量,对叶轮进行加密处理,叶顶间隙内布置25个节点数,以便更好的捕捉间隙内的流动情况,叶轮的网格图如图2所示。通经过网格无关性验证后,最终选取的网格计算的叶片表面y+值分布在1~80之间,平均值约为25,且叶顶间隙区y+平均值为8,适用于SSTk-湍流模型对

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