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.     

不同叶顶间隙对轴流泵空化性能及流场的影响

通过对南水北调工程等比例缩放模型泵进行全流道数值分析和试验研究,对模型泵在3个典型流量工况下的空化计算进行适应性研究,探究叶轮区域的空化发展特性,并对不同叶顶间隙δ(0.5,1.5和3.0 mm)下的轴流泵空化特性进行对比分析,比较叶顶间隙大小对轴流泵空化性能和流场的影响.结果表明:随着空化数的降低,空化首先在叶片进口边间隙区附近发生,逐渐往叶片出口边扩大,同时沿径向往叶片背面扩大最终覆盖整个叶片,引起叶片出口靠近叶顶间隙10％区域的轴向速度逐渐降低;随着叶顶间隙的增大,模型泵的临界空化数增大,叶片轮缘处空化逐渐严重且由叶片前端往尾部移动,叶片出口轴向速度低速区主要集中在靠近间隙10％区域处,揭示了这一过程不同叶顶间隙轴流泵内部空化特性.     

叶顶间隙对喷水推进轴流泵空化性能影响

采用标准k-ε湍流模型和Mixture多相流模型对喷水推进轴流泵五种不同叶顶间隙下的流场进行数值模拟;并对其不同叶顶间隙下的空化性能进行分析。结果表明,随着装置空化余量的降低,空化最先在叶轮进口轮缘附近发生;然后逐渐向叶轮出口边、轮毂及压力面方向扩展开去。随叶顶间隙的增大,临界空化余量逐渐增大;且叶片吸力面空化面积增大,抗空化性能下降;叶顶间隙的存在导致叶轮出口轴向速度在靠近间隙的20%叶高区域降低;在相同装置空化余量下,叶轮出口轴向速度下降的速度随叶顶间隙值的增大而加快。     

叶顶间隙对涡轮非定常气动性能的影响

为了分析动静干涉条件下叶顶泄漏流动对涡轮气动性能的影响,对某高负荷低压涡轮级进行了不同动叶叶顶间隙下的定常和非定常数流动的值模拟研究。结果表明:叶顶泄漏流动对上游静叶和动叶中、下部区域影响极小,影响范围主要体现在叶顶区域;随着叶顶间隙增加,动叶能量损失增加,且非定常条件下的损失增加比定常条件下大;叶顶泄漏流动对叶顶通道涡的发展和生成具有抑制效果;动静干涉效应对于泄漏涡的生成、发展、运行轨迹以及范围都有影响,且随着叶顶间隙的增加这种影响效果逐渐变得明显。     

叶顶间隙变化对多级压气机性能影响的数值研究

运用三维黏性流动计算软件NUMECA,对某含动叶叶顶间隙和静叶叶根间隙的多级亚音轴流压气机的第七、八级共四排叶片所在流道进行了数值模拟.动叶叶顶间隙分别取为各自设计间隙的0倍、0.5倍、1倍、1.5倍和2倍5种不同间隙值,而静叶叶根间隙保持为设计值不变.计算结果表明,叶顶间隙的大小对压气机性能有较大的影响,随着间隙的增大,压气机的流量、效率、压比等性能呈明显的下降趋势.     

不同叶顶间隙下压气机旋转不稳定性特性

采用全通道数值计算方法对一台单级低速轴流压气机旋转不稳定性(RI)特性进行分析,研究了4种叶顶间隙条件下RI的频率特性、模态特性和流场特性的变化及原因.采用相干分析方法得到相邻叶片通道内同角度位置压力信号相干函数和互功率谱,显示产生RI流动的通道涡结构在周向的传播特性.空间模态分解和旋转源机理分析得到RI的周向模态特性,影响RI通道涡结构的脉动和旋转特性及其在绝对和相对坐标系下的关系.结果表明:随着叶顶间隙的减小,叶顶流动强度减弱,RI现象强度逐渐减弱,主模态阶数增大.     

叶顶间隙非均匀对大型轴流风机性能的影响

为了探索叶顶间隙沿周向非均匀变化对大型低压轴流风机性能的影响,以某民用大型低压轴流风机为研究对象开展研究,选择表征轴流风机周向非均匀间隙的两个关键参数——平均间隙水平、非均匀度为影响因素,通过定常、非定常的数值模拟,研究周向非均匀的叶顶间隙对风机外特性的影响,以及对叶顶间隙流动和流场变化的影响机理。结果表明：轴流风机平均间隙、非均匀度的增加均会造成风机效率和静压的下降,但平均间隙的改变对静压的影响明显大于非均匀度变化所产生的影响;叶顶间隙不均匀,会改变叶顶泄漏的起始位置和发展方向,在间隙较大处,叶顶泄漏不但有带涡核的主泄漏,还包括无涡核的附加泄漏,同时叶顶的泄漏流量会因受到前向叶片泄漏涡的卷吸而周期性地改变。该研究成果对低压轴流风机设计及高效运行具有一定的参考价值。     

泵喷推进器空化特性数值分析

利用基于Rayleigh-Plesset方程均质多相模型和滑移网格技术,对某泵喷推进器进行了三维全通道定常湍流计算,得到了其在空化条件下的性能特征.分析了转速、空泡数和进流速度对泵喷推进器的空化特性的影响.计算结果表明,泵喷推进器叶片发生空化时,推进器的推力和转矩明显下降,进而引起敞水效率的降低且降低幅度达15%以上;同一空化数下,随着转速的增加,泵喷推进器叶片的空化现象趋于明显;同一转速下,空化数越小,空化现象越显著,当空化数大于某一个特定值时,叶片的空化现象消失.     

叶顶间隙对轴流泵外特性及空化性能影响研究

为探究叶顶间隙对轴流泵外特性及空化性能的影响,基于修正的SST k-ω湍流模型和Z-G-B空化模型,对350ZQ-70型潜水轴流泵进行数值模拟,对比分析不同叶顶间隙下轴流泵的外特性曲线、叶轮流道内的压力脉动、空泡体积分数分布等.结果表明:随着间隙的增大,泵扬程和效率降低;小流量工况下流动失稳现象明显加强,扬程曲线会出现驼峰现象;进口边近轮毂侧比近轮缘侧更易发生空化;设计流量下,轮缘间隙空化首先出现在叶片中部,而不是叶片进口;叶片背面空化会影响相邻叶片工作面压力分布;存在临界间隙值,未达该值前,间隙增大主要降低叶轮的做功能力,对空化性能影响不大,超过该值后,空化稳定性降低,诱导压力脉动;对于实验泵,临界值在1.5~2 mm;随着间隙的增大,轮缘处空化程度不断增强,进口边空化程度反而有所减轻;根据轴流泵叶轮组装结构,从保护轮毂叶轮体的角度考虑,兼顾做功能力和运行稳定性,实验泵选择间隙为1.5 mm较为合适.     

泵喷推进器低噪声优化设计

以某水下无人潜航器为研究对象,在验证所用方法可信性的基础上运用旋转机械三维反问题设计方法、计算流体力学及计算声学等方法对泵喷推进器进行以降低噪声为目的的优化设计.研究结果显示:对泵喷推进器叶轮施加侧斜、纵斜及叶稍卸载可有效削弱叶轮和导叶之间的相互作用,进而明显降低了叶轮辐射噪声,通过进一步缩短叶轮的叶顶弦长来降低叶轮与导管内壁面之间的相互作用,泵喷推进器静止部件噪声和推进器总噪声均显著降低.     

叶尖间隙对民用大涵道比跨音速压气机性能的影响

以某民用大涵道比涡扇发动机高压压气机进口级为研究对象,数值研究了叶尖间隙对进口级高负荷跨音速转子叶片气动性能的影响。数值结果表明：随着叶尖间隙值增加,流量-压比与流量-效率特性线向左下方偏移,最大流量、最高压比、峰值效率逐渐降低;存在间隙对该跨音转子性能影响不敏感的范围值0mm~0.3mm;当间隙值大于0.3mm,最大流量的减小与间隙的增大呈现出近似的线性关系,最高压比和峰值效率急剧下降;间隙从0.3mm增加至1.0mm,转子总压损失增大了41%;叶尖泄漏流与通道激波相互作用,泄漏流穿过激波后在叶片压力面侧形成较大的高熵值损失区域,当叶尖间隙增大到1.0mm,泄漏流平行额线方向流动,使得贴近前缘的激波变得不明显;叶尖泄漏流对叶片通道主流的影响集中在叶高80%以上区域。     

仿鱼推进器的水动力性能研究

结合仿鱼推进双体船的实验模型,在解决了单体单尾机器鱼运动时摇艏问题的基础上,建立仿鱼推进器尾鳍运动的数值计算模型,用面元法计算尾柄与尾鳍以不同相位角摆动时尾鳍的平均推力性能和平均推进效率曲线,计算尾柄与尾鳍同相位摆动时尾鳍摆动频率与摆动过程中最大推力的关系曲线,从计算结果可以看出,对于双体双尾仿鱼推进器在设计中尾柄和尾鳍可以刚性联接,并适当增加尾鳍的摆动频率可以极大地提高尾鳍摆动过程中产生的最大推力,提高仿鱼推进器的推进功率.     

压力波制冷机性能的数值分析

对有关因素如膨胀比ε、射流激励频率、管外换热状况等对压力波制冷机制冷效率的影响进行了数值研究 .结果表明 ,在ε<5时制冷效率随ε的增大而提高 ,在一定工况下存在一个最佳的射流激励频率 fopt,强化管外传热可使制冷效率明显提高 .当射流激励频率偏离 fopt 时 ,压力波制冷机将出现排气倒流现象 .     

机匣开槽控制喷水推进器不稳定流动的数值研究

针对喷水推进器小流量工况下的驼峰区不稳定流动,采用计算流体力学方法研究了其失稳特性。结果表明,随着流量的减少,推进泵的扬程和效率显著下降,扬程曲线在0.42Q_d～0.8Q_d范围内呈现出正斜率的驼峰特性,同时内部流场变得紊乱,并出现流动分离和回流等现象。为了改善这一不稳定流动,采用了机匣开槽技术进行流动控制,使驼峰现象得到明显改善。在最佳槽体结构参数下,深度失速工况点的扬程和效率分别比原模型提高了约147.6% 和 70.3%。机匣开槽一方面能够对进口来流进行整流,起到减少预旋和增大轴向进流速度的作用,另一方面可以抑制主流区漩涡的形成以及叶轮进口位置的低频压力脉动。     

变壁厚球缺罩爆炸成型弹丸成型性能的数值模拟

为了研究变壁厚球缺罩EFP的成型规律,通过对不同罩壁厚梯度、罩壁厚和装药长度条件下EFP成型的数值模拟,得到了药型罩顶口壁厚差ε/δ、罩顶厚δ/Dk和装药长径比N等无量纲参数与EFP密实度M、长径比L/D、速度υ和动能E性能之间的关系.对优化的EFP(explosively formed penenator)进行了X光试验,弹丸速度和形状的仿真计算与试验结果较为吻合.     

叶尖定时及叶尖间隙测量技术研究综述

涡轮叶片在高速旋转时会因振动产生疲劳断裂失效,造成旋转机械的损坏。叶尖定时测量技术是目前最有前途的非接触式叶片振动实时监测方法,叶尖间隙变化与叶片的振动状态密切相关。因此,实时监测叶片的振动状态和叶尖间隙是保证旋转机械安全、稳定、可靠运行的关键。系统综述了叶尖定时及叶尖间隙测量技术的原理和国内外研究成果,认为目前研究仍处于仿真模拟和实验测量的不完全成熟阶段,今后可在以下方面展开研究:1)将叶尖定时和叶尖间隙测量技术相结合,实现叶片的振动测量;2)进行无键相法的叶片异步振动测量,并投入到工程应用中;3)制定有效的动态标定方案,测量叶片在旋转状态时输出电压与叶尖间隙之间的关系;4)研制能够在恶劣环境下进行高精度、长周期测量的传感器。     

液力变矩-减速装置制动特性流场分析

为准确获取液力变矩-减速装置的制动特性,建立了某型液力变矩-减速装置制动工况下各叶轮及辅助液力减速器流道模型。运用CFD技术分析了液力变矩-减速装置泵轮、涡轮闭锁状态下在1000~2000 r/min转速时的各叶轮及辅助液力减速器流道内部速度流线、压力场分布特点,并进行了制动特性仿真计算。仿真结果与实验结果对比计算误差在10%以内,表明仿真方法和仿真模型准确、可靠。     

叶顶间隙及掠改型对混流喷泵的影响

以混流式喷水推进泵作为研究对象,采用三维雷诺平均N-S方程和S-A湍流模型进行CFD模拟,研究不同叶顶间隙下喷泵的性能和流场损失状况,进而做动叶掠改型以期改善对叶顶间隙流动.结果显示:叶顶间隙的存在有助于沟通压力面与吸力面压差,减少动叶出口回流.对于所研究的喷水推进混流泵,在0~0.6 mm小叶顶间隙时,效率随间隙增大而升高,而间隙过大会使泄漏损失增加,最优间隙为0.6 mm.对动叶进行的掠改型发现,前掠会使压力面前缘的损失略有提高,但叶片整体损失下降;从吸力面来看,前掠有助于减小叶顶泄漏损失,+5°掠全工况的效率均有提高,并获得较为平稳的功率曲线.