低温诱导轮空化特性数值计算研究

为研究低温诱导轮的空化性能,对液氮诱导轮空化流动进行了数值计算研究.数值计算采用了考虑旋转修正的FBM湍流模型和考虑热力学修正的Singhal空化模型.数值结果与实验进行对比,验证了数值计算方法的准确性.结果表明,随着空化数的降低,诱导轮空化分为无空化、间隙空化以及回流涡空化三个典型阶段.在研究选取的温度区间内（77.5 K≤T≤83 K）,诱导轮不同空化阶段的分界点几乎不随温度变化.随着液氮温度的升高,诱导轮内部空穴体积呈现先增后减的趋势.对诱导轮空化热力学效应进行分析表明,当液氮温度较低时,热力学效应不显著,韦伯数主导着空化的发展;当液氮温度较高时,热力学效应增强,从而抑制了诱导轮内部空化的发展.      

考虑热力学效应的涡轮氧泵口环间隙泄漏特性研究

为精确分析口环间隙泄漏特性及泄漏流动对液氧泵内流场的影响,本文基于SST k-ω湍流模型与High Resolution算法,对某涡轮氧泵进行了全尺寸整场数值模拟,研究了不同流量工况下热力学效应对液氧泵外特性、口环间隙泄漏量及空化特性的影响。研究结果表明,在额定工况点附近,Б.B.奥夫相尼科夫公式预测口环间隙泄漏特性相对准确,偏流量工况下各经验公式预测精度下降;等体积流量下,工质为液氧时泵效率较常温水介质高4%,口环间隙泄漏量大于水介质下,且泄漏量差值与流量相关;等温条件下,介质温度对口环间隙泄漏量影响较小,额定工况下高温液氧泄漏损失较大;考虑热力学效应后,泵腔口环间隙内的温升随流量减小而增大,120%～40%工况下温升约为1～3 K。液氧泵扬程与效率较等温条件结果略有升高,口环间隙进出口涡量增大、泄漏量明显减小,泄漏量减小数值与流量成反比,最大减小量为3%,同时口环间隙内空化加剧。     

热力学效应对液氮空化流动的影响

为了研究低温流体空化流动特性,采用数值计算的方法研究了液氮空化流动特性.计算中应用二次开发方法在商业软件CFX中引入修正的Kunz空化模型及能量方程,其物性参数随流场温度变化而不断更新.对绕翼型和对称回转体在液氮中的空化流动进行了计算,基于计算结果分析了热力学效应对空化特征的影响.结果表明,计算与实验的结果基本一致.当液氮工作温度接近临界点时,热力学效应更加显著.它主要表现在空穴变短、蒸气体积分数减少和汽液界面变得模糊.在空化产生的区域,流场的温度由于吸收蒸发潜热降低,在空穴尾部区域,空穴溃灭释放潜热而导致温度升高.同时发现,由于热力学效应温降在0.5～2.5K之间.     

诱导轮与叶轮叶片数匹配对泵空化性能的影响

为了研究诱导轮叶片数与叶轮叶片数匹配关系对泵空化性能的影响,基于雷诺时均N-S方程、RNG k-ε湍流模型和Rayleigh-Plesset空化模型,结合试验对某型LNG电动超低温潜液泵进行了全三维数值计算,并分析了泵的空化性能、扬程和效率随诱导轮和叶轮叶片数的变化规律.分别对诱导轮叶片数为2、3、4,叶轮叶片数为6、7、8的9种正交组合进行了数值分析研究,得到诱导轮和叶轮内空化发展的四个阶段.研究结果表明:只增加叶轮叶片数,扬程的增加幅度逐渐变大,对空化性能影响不明显;只增加诱导轮叶片数时,空化性能严重下降,最大差值达到11.0%,但对扬程和效率影响不明显;诱导轮的叶片数对泵空化影响较大,叶轮叶片数对泵空化影响较小.     

空化热力学效应对相间质量传输过程的影响

为了分析空化热力学效应对相间质量传输过程的影响,应用二次开发技术在商业软件中引入修正的Merkle空化模型及液氮物性参数随流场温度的变化,并在能量方程的源项中考虑了空化的影响,对绕对称回转体液氮空化流动进行了计算.通过将计算结果与实验数据进行对比,对计算方法进行了验证.基于数值计算结果分析了空化热力学效应对质量传输过程的影响.相间质量传输过程包括蒸发和凝结过程.在蒸发过程中,低温流体空化的发展不仅与当地空化数σ有关,且依赖于流场的密度比R(T).随温度升高,液体/蒸汽的密度比梯度(dR/dT)增加,导致蒸发量减小;随温度升高,饱和蒸汽压变化梯度升高,导致蒸发量减小.凝结过程中,随温度升高,(1-φl)值减小,凝结量减小;随温度升高,max(0,Cp+σ)值增大,凝结量增加.     

基于Kunz模型的离心泵空化流数值计算

将常用于水翼、螺旋桨等的空化模型应用于离心泵空化流数值计算,以比转速为94的离心泵为研究对象,在不同流量系数下,分别进行了空化性能的数值计算和试验研究.比较了计算和试验得到的空化性能曲线,发现各流量系数下模拟均能捕捉到较低空化数时扬程系数的下降,而且与试验结果较为一致.此外,还对设计工况下叶轮流道空泡和总压系数分布规律以及叶片压力系数分布规律进行了分析.对数值预测结果的分析表明：使用Kunz空化模型进行离心泵空化流数值计算能够较为真实地反映离心泵的空化性能.     

附着空化流动下离心泵水力性能数值预测

采用改进的空化模型和算法，同时耦合黏性Reynolds-Averaged Navier-Stokes方程求解技术，对空化流动条件下离心泵的水力性能进行了数值预测研究．采用具有试验数据的拱形头部圆柱体空化绕流考核了所提出的空化模型和算法的准确性和可靠性．采用数值方法研究了不同流量系数下离心泵水力性能与空化系数之间的关系，预测了空化系数对离心泵叶轮表面附着空化气泡形状的影响．数值结果表明，在相同的流量系数下，存在着临界空化系数，在临界空化系数时离心泵的水力性能突然下降，空化系数越小，离心泵叶轮表面的附着空化空腔越大，同时造成水力性能下降的越快．研究结果证明了所提出的空化模型和算法能够应用干水力流体机械宅化流动时的性能预测。     

低温高速屏蔽泵汽蚀性能的流热耦合分析

针对低温高速屏蔽泵输送易汽化介质时,在流道内容易因温度升高引起介质汽化的问题,考虑温度变化对低温介质热性能参数的影响,采用流热耦合方法对一台液化天然气泵在不同工况下进行了全流场数值模拟.分析了诱导轮的压力分布和汽蚀性能,得到了温度升高最大区域屏蔽套间隙内介质的温度、压力分布以及介质与电机之间的对流换热信息.分析结果表明：高压冷却润滑回路能满足低温高速屏蔽泵输送液化天然气等易汽化介质的要求,整个流道内不会发生汽化现象.     

超声珩磨作用下磨削液空化泡的共振频率

为揭示超声珩磨加工过程中磨削液空化泡的共振特性,首先利用VHX-600ESO显微镜对油石表面的磨削液进行了微观测量试验,得到了共振状态下的空化泡.基于空化泡的动力学理论,推导出了超声珩磨作用下磨削液中空化泡的共振频率方程.数值模拟了水和煤油中空化泡初始半径、磨削液静压力、气泡内含气压、磨削液温度对空化泡共振频率的影响.通过讨论磨削液中空化泡的振动位移,验证了超声频率与空化泡共振频率的匹配关系.结果表明,水中的空化泡要比煤油中更容易发生共振,这是导致粗珩选择水溶液而精珩选择煤油的一个重要原因.      

液力变矩减速装置叶轮空转特性研究

液力变矩减速装置在不同工况下叶轮转速边界条件的确定是建立其CFD计算模型的基础,结合假设利用CFD模型确定了闭锁制动工况下导轮的状态,针对液力变矩减速装置牵引工况和制动工况下的叶轮空转现象,建立了CFD分析模型,应用析因设计与二次多项式拟合相结合的方法进行了叶轮空转转速的快速预测,确定了牵引工况下制动轮空转转速及制动工况下导轮空转转速边界条件,建立了液力变矩减速装置特性预测CFD模型,同时获得了泵轮转速与速比对稳态牵引工况下制动轮空转转速的影响规律,通过台架试验,验证了基于三维流动理论的牵引与制动特性预测仿真结果的准确性.      

泵喷推进器非定常空化性能数值模拟分析

摘要： 基于均质多相流的RANS(Reynolds Averaged Navier Stokes)方程,采用分块网格技术生成高质量结构化网格,同时结合剪切应力SST（Shear Stress Transport）k－ω湍流模型和Z G B(Zwart Gerber Belamri）空化模型以对NACA66翼型进行了定常流空化性能数值模拟,数值计算结果与实验值吻合良好,验证了数值计算法的实用性与可靠性.在此基础上,利用URANS(Unsteady Reynolds Averaged Navier Stokes）方程和滑移网格技术,对装有泵喷推进器的无人水下航行器（Unmanned Underwater Vehicle,UUV）进行了非定常流空化性能数值模拟与分析.计算结果表明,数值模拟可以较为精确地预测泵喷推进器空化现象的起始与发展、形状与位置等特性;空化现象发生时,泵喷推进器效率出现明显的降低且达到20%以上;UUV表面与定转子叶片的压力分布较为合理,与空化现象吻合;转子叶顶区域压力面与吸力面之间的压差引起了顶隙梢涡与顶隙空化,造成了泵喷推进器效率进一步的损耗.     

蒸发条件下非饱和土水分迁移的数值模拟

大气的蒸发效应引起土体内部含水量及温度的重新分布,本文旨在研究蒸发条件下非饱和土中水分及热量的迁移规律.对于土体在蒸发条件下总吸力和温度的变化特征,采用非饱和土水-热迁移模型加以描述,该模型中液态水和气态水的迁移分别是基于Darcy定律和Fick定律而建立的.探究了利用土体基本物性指标和气象因素预测模型计算中相关参数及边界条件的方法,利用上述模型及预测方法只需获取土体基本物理性质便可获取任意时刻非饱和土中含水量及温度的分布情况.该理论被用来模拟Wilson土柱蒸发试验实测结果,其理论结果和试验实测结果是较一致的.     

立式多级筒袋泵诱导轮及首级叶轮内的空化流动模拟

为了改善立式多级筒袋泵的空化性能,研究其内部的空化流动规律,采用基于质量输运方程的混合流空化模型和标准k-ε模型,运用大型通用计算程序ANSYS CFX,计算了立式多级筒袋泵内的三维湍流空化流动的临界空化数,并与实验进行对比。基于数值计算的结果,分析了较小流量及较大流量运行工况下该泵的空化流场。研究表明:采用诱导轮改善了泵的空化性能;从小流量至大流量,泵内的严重空化区域由诱导轮转移至首级叶轮。本文采用的空化流动模拟方法可较好地预测立式多级筒袋泵在设计流量附近的平均空化性能。     

Modeling cavitation flow of cryogenic fluids with thermodynamic phase-change theory

Cavitation is the formation of vapor bubbles within a liquid where the flow dynamics causes the local static pressure to drop below the vapor pressure. The so-called full cavitation model (FCM) developed by Singhal has been widely used in numerical modeling of the cavitation flow for thermosensible and non-thermosensible fluids. Within the FCM, the bubble size is taken to be equivalent to the maximum possible value to forego the calculation of bubble number density. We developed a new cavitation model by re-calculating the bubble radius in FCM to account for the effects of local pressure. The new model was obtained by combining the thermodynamic phase-change theory and the Young-Laplace equation with the assumption of thermodynamic equilibrium during the cavitation process. The cavitation calculations were performed based on the mathematical framework of the homogeneous equilibrium flow model and the transport-equation-based model for vapor phase mass fraction. The model was validated by modeling the cavitating flow of liquid nitrogen and liquid hydrogen through NASA hydrofoil and Ogive with consideration of the phase-change thermal effects. The temperature and pressure distributions with the new model are found to agree well with data from existing experimental studies, as well as the simulations with the FCM.     

微菱形织构表面旋转轴密封性能研究

综合考虑液膜空化及质量守恒边界条件,构建了轴面微菱形织构油封模型,通过数值计算获得膜压分布和微菱形孔结构参数对密封性能的影响关系。结果表明：微菱形孔所引起的动压效应可使膜压场产生变化,从而影响密封可靠性、润滑特性和泵汲效应;通过改变结构可控制泵吸方向、稳定液膜和减小摩擦。为提高稳定性和泵汲效应,并降低泄漏和磨损,选用半轴比γ=0.4~0.6、孔深h₁=1.5~4.5μm和微孔旋转角α=40°~50°轴面微菱形孔织构更为合理。     

离心泵汽蚀过渡过程瞬态特性分析

为了对离心泵汽蚀过渡过程的瞬态水力特性进行分析,采用全汽蚀模型且不考虑水中溶解性气体对汽蚀的影响,再通过计算流体力学软件CFX对离心泵叶轮流道内汽蚀过渡过程进行了数值模拟计算,并与试验结果进行了对比.结果表明:数值模拟结果与试验结果的变化趋势基本一致,汽蚀过渡过程中叶片背面气体体积分数随汽蚀余量的降低而逐渐增大,当叶片工作面的气体体积分数大于0时,汽泡相开始堵塞叶轮流道,进而影响叶轮内部能量的交换和传递;汽蚀引起的旋涡使得叶轮流道内的速度出现无规律波动,从而造成靠近旋涡区和叶片工作面通道内的速度和载荷增大;扬程在随汽蚀余量的降低而缓慢降至一定程度后再次急剧下降,不同工况下扬程波动的幅度有所不同,小流量时扬程波动幅度最大.     

三种空化模型下挤压油膜阻尼器空化流场特性对比

为准确预测挤压油膜阻尼器空化流场特性,基于ANSYS-Fluent软件建立非同心型挤压油膜阻尼器三维非定常空化流场求解模型.分别采用Zwart-Gerber-Belamri(Z-G-B)、Schnerr-Sauer(S-S)及Singhal三种空化模型计算得到挤压油膜阻尼器各测点的压力结果,并将其与实验数据进行对比,比较了三种空化模型下阻尼器内的油膜压力与气穴分布、流场中的气穴比以及油膜力特性.结果表明,三种空化模型中S-S模型的数值结果与试验数据最为吻合,适用于描述挤压油膜阻尼器空化流场特性,为挤压油膜阻尼器空化流场模拟提供了可靠的模型和方法.