[发明专利]一种用于表征离心泵空化非定常强度的方法

说明书

本发明涉及水力机械的空化领域，具体涉及一种用于表征空化非定常强度的方法。为了解决现有技术中采用能量下降法表征离心泵的空化发展强度，存在滞后和误差的问题，本发明公开了一种用于表征离心泵空化非定常强度的方法。该方法包括以下步骤：步骤一，确定离心泵旋转周期内的特征参数；步骤二，建立模型进行数值模拟，获取离心泵的特征压力脉动ΔP并求其标准差值S；步骤三，建立离心泵空化非定常强度的无量纲公式，对该空化条件下离心泵的空化非定常强度进行计算，获取无量纲系数Ci。通过本发明的方法获得的无量纲数Ci表征离心泵空化发展强度要比现有技术中采用能量下降法表征离心泵空化发展强度更精准更快速。

技术领域

本发明涉及水力机械的空化领域，具体涉及一种用于表征离心泵空化非定常强度的方法。

背景技术

在水力机械的运行过程中，由于机械内的局部压力下降会引起流体产生空化现象，空化是一种包含相变、非定常、多维湍流和可压缩等多种复杂流动的现象。由于空化的产生会造成水力机械的性能下降，并且空化产生的空泡在发生溃灭时将会对机械表面造成破坏。因此，如何准确预测空化的产生以及空化的发展程度具有重要意义。

目前，在现有技术中用于评估水力机械空化强度的方法主要是能量下降法，例如将水泵的扬程下降程度，水翼的升力系数下降程度等作为衡量空化发展强度的标准。其中，空化数作为表征空化发生的可能性以及描述空化状态的无量纲参数，与离心泵的进口压力密切相关。在现有技术中通过对不同空化数下离心泵输出的扬程进行监测，将离心泵扬程下降3％时对应的空化数作为离心泵的空化初生点。

然而，由于离心泵的扬程只是体现离心泵外特性的一个静态临界值，并没有兼顾到空化对离心泵性能在动态和不断积累过程中的影响。因此，在对离心泵运行状态的模拟试验过程中发现，扬程的下降量与空化的发展程度之间存在着差异和滞后，即在空化已经发生并且在一定阶段内有所发展的时候，离心泵的输出扬程保持不变。因此，在离心泵的前期设计和试验过程中，如果采用检测离心泵扬程的下降量作为表征离心泵空化发展程度的参数会存在着滞后和误差的问题，这样则无法快速和准确的确定离心泵真正发生空化的时间和空化前期发展的实际情况，从而很难对提高离心泵空化性能做出更好的结构改进和设计。

发明内容

为了解决现有技术中采用能量下降法表征离心泵的空化发展强度，存在滞后和误差的问题，本发明提出了一种用于表征离心泵空化非定常强度的方法。该方法包括以下步骤：

步骤一，确定离心泵旋转周期内的特征参数，包括特征尺度L，特征密度ρ，特征速度U，特征时间t以及流体介质的饱和蒸气压P_v；

步骤二，建立模型进行数值模拟，在确定的空化条件下获取离心泵一个旋转周期内的特征压力脉动ΔP并求其标准差值S，其中特征压力脉动ΔP等于特征压力与流体介质的饱和蒸气压之间的差值：

首先，建立模型，对离心泵一个旋转周期内的非定常计算时间步数进行N等分，并且每一等分的时间步长为Δt；

接着，进行数值模拟，提取t_n时刻的特征压力P_n和空泡体积分数α_vn，获得t_n时刻的特征压力脉动ΔP_n；其中t_n＝t₀+n·Δt，ΔP_n＝P_n-P_v，t₀为非定常空化流动的起始时刻，n为整数且1≤n≤N；

然后，建立低压作用特征时间公式，计算t_n时刻的低压作用特征时间t_ln，并对t_n时刻的低压作用特征时间t_1n进行无量纲化,获得相应的无量纲化系数k_n；其中低压作用特征时间公式无量纲系数k_n＝t_ln/t；