[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

摘要

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。

主权项

1.一种轴流泵叶顶间隙泄漏涡空化的数值模拟方法，其特征是：具体包括如下步骤：步骤一：轴流泵三维几何建模，根据给定的轴流泵设计图纸，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，利用几何建模软件建立轴流泵三维几何模型，并输出计算网格划分软件要求的格式文件；步骤一所述的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；步骤二：计算网格划分，将步骤一输出的几何文件导入网格划分软件，采用六面体结构化网格划分方式，通过对计算网格离散误差进行估计并确定网格数量；步骤三：轴流泵空化流动计算流体动力学模型建立，包括空化流动控制方程、湍流模型以及空化模型；步骤三所述的空化流动控制方程是由连续性方程、动量方程以及组分输运方程构成，即：连续性方程：动量方程：组分输运方程：上述公式中，t为时间，x_j为网格节点坐标且j＝1,2,3，ρ_m、μ_m和μ_mt分别为汽液混合相的密度、动力粘性系数和湍流粘性系数，u_i、u_j为流场各速度分量，P为流场的压力，ρ_v和ρ_l分别为汽相密度和液相密度，μ_v和μ_l分别为汽相的动力粘性系数和液相的动力粘性系数，α_v和α_l为汽相体积分数和液相体积分数，组分输运方程中的源项和分别表示汽液两相间的蒸发和冷凝的转换量；对于混合相的密度ρ_m和动力粘性系数μ_m的计算公式分别为：ρ_m＝ρ_vα_v+ρ_lα_l  (4)μ_m＝μ_vα_v+μ_lα_l  (5)汽相体积分数α_v和液相体积分数α_l满足：α_v+α_l＝1  (6)对于湍流模型，基于网格尺度滤波的湍流模型输入方程如下：式中，k为湍动能、ε为湍动能耗损率、G_k是湍动能的生成项，模型常数C_1ε＝1.44、C_2ε＝1.92、σ_k＝1.0、σ_ε＝1.3；对于湍流粘性系数μ_mt取值为：其中，模型系数C_μ＝0.09，Δ为平均网格特征尺度；空化汽液相变过程模拟基于简化Rayleigh‑Plesset方程的空化模型，兼顾考虑流场局部压力脉动对空化影响，对于蒸发率和冷凝率分别为：其中，R_b为空泡半径，α_b为成核区体积分数，P_v为液体饱和蒸汽压强，F_v为蒸发系数，F_c为凝结系数；步骤四：基于步骤三的空化流动控制方程组，采用CFD计算软件ANSYS CFX，设定边界条件对轴流泵空化流场进行数值计算，根据轴流泵的运行工况，计算步骤三得到模型的进口设定压力边界、出口设定流量边界，设定液相体积分数为1，固壁采用无滑移边界，动静交界面的数据插值采用通用网格界面方法处理；在步骤四的计算过程中，根据每一子步计算结果，采用涡判别系数Ω_A对轴流泵内部流场进行涡判别，涡判别系数Ω_A定义为：上式中||*||_F为Frobenius范数，Ω为涡度张量，S为应变率张量；根据轴流泵空化流场中涡判别系数Ω_A的分布辨识出叶顶间隙泄漏涡区域，并基于涡判别系数Ω_A分布情况采取对空化模型凝结系数F_c进行修正获得新的凝结系数F_c*：F_c*＝f·F_c  (13)其中，则空化模型凝结率新的计算公式变为：步骤五：对步骤四的计算结果进行后处理，采用后处理软件对计算输出的结果进行分析处理，获得轴流泵的空化性能参数和叶顶间隙泄漏涡空化流场信息；步骤五所述的空化流场信息包括速度场、压力差、涡量场、湍动能、汽相和液相体积分数，以及叶顶泄漏涡形态及其演化发展过程。