[发明专利]一种轴流泵叶顶间隙泄漏涡空化的数值模拟方法

说明书

本发明公开了一种轴流泵叶顶间隙泄漏涡空化的数值模拟方法，通过对轴流泵三维几何建模、划分计算网格以及建立空化流动计算流体动力学模型，采用基于涡判别方法修正的空化模型对轴流泵空化流场进行数值计算，分析获得轴流泵空化性能及叶顶间隙泄漏涡空化流动特性。本方法充分考虑旋涡流动对空化相变过程的影响，提高了涡空化数值计算结果可信度，实现了对轴流泵叶顶间隙泄漏涡空化快速、高精度的数值预测，有助于对轴流泵叶顶间隙泄漏涡空化的流动机理及抑制措施研究奠定良好的数理基础，同时也可推广应用于混流泵、水轮机等其他叶片式水力机械叶顶间隙泄漏涡空化的数值模拟研究。

技术领域

本发明属于水力机械空化数值模拟技术领域，具体涉及一种轴流泵叶顶间隙泄漏涡空化的数值模拟方法。

背景技术

轴流泵在工农业生产、跨流域调水、城市防洪排涝以及船舶喷水推进等诸多领域中发挥着举足轻重的作用。轴流泵重要的做功部件叶轮与壳体之间存在一定间隙，虽然间隙尺寸很小，但在叶片压力面和吸力面的压差作用下，流体会以较高速度通过间隙并与主流相互掺混卷吸形成叶顶泄漏涡。叶顶间隙泄漏涡极易诱导产生旋涡空化，不仅会恶化轴流泵叶顶区流态、降低叶顶载荷分布、引起流道阻塞，造成轴流泵性能下降，还会引起机组振动噪声，造成泵内过流部件空蚀破坏，严重影响轴流泵运行使用寿命。特别是目前轴流泵正朝着大型、高速化方向发展，叶顶间隙泄漏涡空化引起的诸多问题变得更为突出。叶顶间隙泄漏涡空化中旋涡与空化相互关联又相互影响，而有效数值预测轴流泵叶顶间隙泄漏涡空化对于研究其流动机理及解决引发的各种问题具有重要的意义和工程应用价值。

关于轴流泵叶顶间隙泄漏涡空化的数值模拟方法，普遍采用的是基于均质平衡流理论的均相流模型，又具体包括基于状态方程和基于输运方程的空化模型。其中，基于状态方程的空化模型假定混合物密度满足正压状态定律，汽液混合物的密度在两相过渡区内以一个较大的斜率曲线进行过渡；但是，基于状态方程的空化模型对假定的密度与压力之间的关系曲线有很强的依赖性，此类模型的压力与密度项具有相同的变化梯度，特别是在捕捉空化流场中的旋涡流动结构存在一定的局限性。对于基于输运方程的空化模型，常采用一个包含源项的连续性方程表示汽相分量的输运过程，且输运方程本身具有对流扩散特性，而源项的给定方式可以采用直接给定显式表达式来描述汽泡的生成和扩散行为，或通过简化的Reyleigh-Plesset方程来描述汽泡群的动力学演化过程。由于基于输运方程的空化模型是从空泡动力学理论和两相流理论发展演绎而来，能够描述两相流体的热力学非平衡效应、模拟液体的蒸发和水蒸汽的凝结过程；但是，此类模型的建立过程未能考虑叶顶间隙泄漏涡空化流动中旋涡对空化相变过程的影响，低估了旋涡旋转角动量会延长叶顶间隙泄漏涡空化寿命的作用，导致轴流泵空化性能的预测精度较差，所预测的旋涡空化流态与试验观测结果相差较大，存在偏短偏小的不足。因此，目前仍缺乏有效反映叶顶间隙泄漏涡空化流动特点的数值模拟方法。

发明内容

本发明的目的是针对叶顶间隙泄漏涡空化问题中现有技术的不足，提出一种轴流泵叶顶间隙泄漏涡空化的数值模拟方法。

为实现本发明的目的，采用如下技术方案：

步骤一：轴流泵三维几何建模，根据给定的轴流泵设计图纸，包括轴流泵叶轮和导叶的木模图、进、出水流道以及泵段结构尺寸图，利用几何建模软件，Croe、AutoCAD、Solidworks、UG或CATIA等，建立轴流泵三维几何模型并按照步骤二计算网格划分软件要求格式输出相应文件，轴流泵的进水流道进口截面当量直径为D1、出水流道出口截面当量直径为D2，轴流泵进水流道的进口前方设置长度为D3的延长段且其满足D3＝(1～5)D1，轴流泵出水流道的出口后方设置长度为D4的延长段且其满足D4＝(5～10)D2；