（轮机工程专业论文）轴流水泵空化问题的研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 喷水推进作为一种特殊的船舶推进装置，具有抗空泡能力强、附体阻 力小、保护性能好、噪声低、传动机构简单、适应变工况能力强、船舶操 纵和动力定位性能佳等特点。6 0 年代在高性能船艇上开始采用，并且发 展非常迅猛，目前喷水推进在高性能船艇上的优势已为人们所公认。 喷水推进器的核心部件是喷水推进泵。空化问题极大恶化了水泵的性 能，研究轴流水泵的空化问题对于提高水泵的设计水平具有重要指导意 义。 随着计算流体力学的发展和计算机性能的提高，用数值模拟来分析水 泵内部的流动已经成为可能。应用数值模拟的方法可以对实验难以测量的 参数进行预估，而不需要大量的实验，应用数值模拟的方法对水泵的进行 分析和工程设计，有利于提高工作的可靠性和经济性。数值模拟方法已经 成为流体机械设计的一个重要手段。 本文根据工程软件的格式要求，编制了与几种不同的叶片成型规律相 对应的程序，以生成相应的数据文件对水泵进行建模，并利用全三维数值 模拟软件f l u e n t 对轴流水泵内部流动进行了三维粘性数值模拟，计算中 采用标准k 一占标准湍流模型，混合物多相模型与s i m p l e 算法。通过对 结果的比较和分析，得出了几种不同的叶型成型规律对水泵空化性能的影 响，从而提出了利用c f d 对水泵内部流场分析计算的方法，得到的结论 对于轴流水泵的设计、改进有一定指导意义。 美键词：计算流体力学；喷水推进；轴流水泵；数值模拟；空化 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t w a t e r - j e tp r o p u l s i o ni sat y p e o f s p e c i a ls h i pi m p e t u ss y s t e m i th a sm a n y a d v a n t a g e so v e rt h eo t h e ro n e s ，i n c l u d i n gb e t t e rc a v i t a t i o np e r f o r m a n c et h a n p r o p e l l e r , l o wn o i s e ，g o o dp r o t e c t i o n ，l e s sa d j u n c t i v er e s i s t a n c e ，s i m p l e g e a r i n g ，a d a p t i o nt oo f f - d e s i g nc o n d i t i o n ，g o o d c o n t r o la n d p o s i t i o n a n ds oo n i t s p r e d o m i n a n c eh a sb e e nr e c o g n i s e ds i n c ei t h a sb e e nw i d e l ya p p l i e do n h i g h - p e r f o r m a n c es h i pi nt 9 6 0 s o ft h ew a t e r - j e ts y s t e mw a t e rp u m pi st h ec o r ec o m p o n e n t c a v i t a t i o n d e t e r i o r a t e st h ep e r f o r m a n c eo fw a t e rp u m p t h u si ti sn e c e s s a r yt or e s e a r c h o nt h ep r o b l e r mt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f p u m p w i t ht h e d e v e l o p m e n t o f c o m p u t a t i o n a l f l u i d d y n a m i c s a n d r a p i d i m p r o v e m e n to fc o m p u t e rc a p a c i t y , i th a sb e e np o s s i b l et or e s e a r c ht h ei n n e r f l o wi n s i d ew a t e rp u m pb yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n n u m e r i c a ls i m u l a t i o nc a i l e s t i m a t et h ep a r a m e t e r st h a ta r ed i f f i c u l tt om e a s u r ei n e x p e r i m e n t i nt h e a n a l y s i sa n de n g i n e e r i n gd e s i g np r o c e s so f w a t e rp u m p ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i m p r o v e sr e l i a b i l i t ya n d r e d u c o st h ec o s ts i g n i f i c a n t l y n u m e r i c a lm e t h o dh a s b e c o m ea ni m p o r t a n tt o o lt od e s i g n h y d r o m e c h a n i c a lm e c h a n i s m a c c o r d i n g t ot h e r e q u i r e m e n t o f e n g i n e e r i n gs o f t w a r e ，p r o g r a m i s d e v e l o p e d t o g e n e r a t e t h e a p p r o p r i a t e d a t ac o d et od e s c r i b et h eb a s i c i n f o r m a t i o no fp u m pa n di t se v e r yb l a d es e c t i o no ft h ec a s c a d e w h e nt h e p u m p i s m o d e l e d ，f l u e n ti s i m p l o y e d t os i m u l a t et h ef l o w i n s i d e ， i m p l e m e n t i n gs t a n d a r d k 一占t w oe q u a t i o n st u r b u l e n c em o d e l ，m i x t u r e m u l t i p h a s em o d e la n ds i m p l ea l g o r i t h mm e t h o dt oa c h i e v ep r e s s u r e v e l o c i t y c o u p l i n g b yc o m p a r i s o na n da n a l y s i s ，w eo b t a i nt h ed i s t r i b u t i o n o ft h e v o l u m eo ff r a c t i o no ft h ev a p o u ri n s i d ep u m p t h u sw eo b t a i nt h er e s u l t so n h o wt h eb o w e db l a d ea n ds w e e pb l a d ei n f l u e n c e 血ec a v i t a t i o no ft h ep u m p t h er e s u l t sa r e g o o d r e f e r e n c ef o r e n g i n e e r sm a j o r i n g o n h y d r o m e c h a n i c a l m e c h a n i s m k e y w o r d s ：c f d ；w a t e rj e t p r o p u l s i o n ；a x i a l w a t e r p u m p ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；c a v i t a t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的 引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已公开发 表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者( 签字) ：驾i 垒整 日期：加。4 。年?月必日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究的目的及意义 喷水推进作为一种特殊的船舶推进装置，具有抗空泡能力强、附体阻力 小、保护性能好、噪声低、传动机构简单、适应变工况能力强、船舶操纵和 动力定位性能佳等特点，是常规螺旋桨所不能比拟的。本世纪5 0 年代，喷水 推进较多地应用于内河船舶，6 0 年代在高性能船艇上开始采用，并且发展非 常迅猛。目前喷水推进在高性能船艇上的优势已为人们所公认。在此其阃， 喷水推进理论丑趋完善并逐渐成熟，为喷水推进技术在大、中型运输船和工 程船上的应用奠定了基础【l 】。 理论研究、模型试验和实船试航证实，喷水推进组合体具有以下的性能 和特点伪： 1 推进效率高喷水推进的效率主要取决于推进泵的效率和系统效率。 喷水推进组合体一般只能装用轴流泵。就水泵丽言，借用7 0 8 所提出的变环 量设计技术进行设计，推进泵效率能达9 0 左右，并具有较高的汽蚀比转速。 进水口和管道系统的优劣决定了系统效率，若设计得当，系统效率可达7 0 以上。此外，喷水推进组合体的泵壳类似于导管从而具有附加推力，组合舵 除了完成转舵和倒航的功能外，还卷吸泵壳外更多的水流参予动量变化而增 加推进效率。而且水下附体小，再加上流道的合理布置能改变船舶航行时的 势流场，在一定程度上起到了减阻作用。因此，实际上喷水推进组合体总的 推进效率可达6 3 以上。 2 操纵和动力定位性能极佳由于组合体在任何航态下，舵壳和中舵叶 既能同步又可异步转动，舵壳和中舵叶的闭合程度也可自由控制，改变喷射 流的大小和方向，而同时主机仍可以接近额定转速运转，因此，喷水推进组 合体内的水流流速依然可以维持足够大。这样，组合舵始终处在高速流流场 中，可保证足够的舵效。若配上微机和相应的程序控制，可做到全部自动控 制。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 浅水效应影响小。 4 工作平稳，水动力噪声低喷水推进组合体的动叶轮在泵壳内均匀流 场中工作，消除了引起动叶轮片振动的流动脉动力，减小叶片的振动和噪声。 美国海军工程试验站( u s n a v a le n g i n e e r i n ge x p e r i m e n ts t a t i o n ) 为了探讨喷 水推进的水中噪声，专门建造了两艘1 7 英尺的玻璃钢小艇，各装备1 0 0 马力 的船用6 缸汽油机。一艘采用喷水推进，用两级轴流泵，叶轮直径7 5 英寸， 每级4 叶片；另一艘采用三叶片螺旋桨。两只艇分别在3 1 6 米的浮标间离水 中听音器6 1 米处以不同速度行驶，速度从4 节到2 6 节，听音器装在水下7 6 米处。实验结果表明，喷水推进的噪声要比螺旋桨噪声低2 0 分贝左右。 5 适应变工况能力强与螺旋桨推进方式相比，喷水推进组合体在船舶 变工况条件下，能更充分地利用主机功率，适应交工况的能力更强。由于喷 水推进轴流泵的特性，使得装用喷水推进组合体的船舶，在系泊状态下的主 机转速可达到额定转速的9 0 0 0 - 9 5 ，这是常规螺旋桨推进所无法做到的。喷 水推进组合体具有无级变速功能，这种功能本身就是一种适应变工况的能力。 6 传动机构简单喷水推进泵组可以由主机经过减速( 或不减速) 后直接 带动，不需要增加复杂的传动机构，减少了初期投资和维护保养工作，增加 了机构运转可靠性。 7 船体外附件少，减小了阻力喷水推进船比螺旋桨船减少了伸在体外的 轴、轴支架和舵杆。这部分的附体阻力约占快艇总阻力的1 0 到4 0 不等， 视艇的绝对速度与附体的数量而定。 因此，开展大流量高效率喷水推进技术的研究，突破大中型水面舰艇喷 水推进装置的关键技术，使喷水推进技术的应用由小型舰艇逐渐扩展到中型、 大型水面舰艇，对提高我国海军舰艇声隐身技术水平，改善舰船的机动性具 有重要的意义。 1 2 技术发展概况 在船舶喷水推进技术诞生的3 4 0 年历程中，按时间顺序，大致经历了液 泵式喷水推进、间歇式喷水推进、底板式喷水推进、尾板式喷水推进和舷外 喷水推进5 个阶段。从目前在船舶上的应用情况看，尾板式喷水推进已成为 2 嗡容滨工程大学琰学经论文 喷水推进的首选裂式。 与强舞豪生搴魏罄鸯一令产整、发震褰轻大熬过程一样，唆承摧遘在2 0 馓纪5 0 年代仅试用于魑小型低速内河船；6 0 年代开始在部分高性能船如 气垫艇、东翼躲上采鼹；7 0 年饯愚船舶唆水攘迭装塞鹣发震期，巍予晷添上 一些知名的推进器专业制造商，如l i p s 、k a m e w a 公司先后加入这一新兴市 场，竞桴投入科麟力量鞠资金开发这一裁最诱入的产晶，健船熬嚷承拯逐在 技术上更为成熟。喷水摊进装置已进入翠船领域，同时也在商船方面被大量 采用。8 0 一9 0 年代寒，则是喷水撰进装嚣的黄金时代，谗多高逮渡船藉巍船 采用喷水推进装鬣。丽喷水推避在这些大型高速船上，也表现出其在高航速 下得天独厚的优终。 与草期配备程d o w t yt u r b c a r f t 运动艇上的喷水稚避装置相比，当代韵船 舶喷水推进装置的推进效率已明湿提高。现在单级喷水擒进器设计所提供的 誊越工魏性能帮抗空泡瞧，远谯_ 于翠期的多缓蒙藏设计，特别蔻避永日娥的 设计导致更有效的进水导管的发展。 在骥宋摆遴器攉广寂孺过程孛，警不断受戮船东拯评豹喷拳稚进器豹部 件质量、艇固性和耐用性等问题，由于新泓复合材料的应用而得到很大改善。 懑去誓产燕闫鬈黪不露龛震糖精鬻懿邀气缝缘黧富效熬羧建霹藏，在一魏毅 型喷水推进器中融不再成为问题。 今灭，垂予攘零约不蘩完善，囔拳攘遴器赘藏本毫大大鬣予拳下黎潦器 系统，特别是在每年运行时间很多的船舶上。此外，由于喷水推进器能狠适 念缝与艇髂设诗瓢配安装在艇体内，毽嚣莛避免农下嫘旋黎容易产生磁损懿恁 险。在日常维护和保养方面，喷水推进器仅限于检查支廉的润滑泊情况、液 臌动力装置和检焱阳极消耗培况，嗔水擐进器的保养是较为筏易浆。 喷水推进装置在技术方面所取得的这些进鼹，主要褥益予世界各主瑟喷 水推进嚣专业制逑商数十年来的不懈努力。垦裁，各个主要制邈亵在不网类 型、不同规格的喷水榷避器的研削发展上，都取得了各舆特色的避步。 新魏兰h a m i l t o n 公司 作为喷水推避技术和推广应糟方面的先锋，新西兰的h a m i l t o n 公司称至 今已有2 0 0 0 0 套喷水推进装置安浆在各缴船舶上。该公司的h j 、h m 和h s 系列喷承推进装鬣设计输岛功率范爱为i 0 0 ，3 0 0 0 k w 。獒2 1 2 黧为该公弼最 小、最轻型和最经济的喷水推进装置，肖5 种叶轮可供选择，提供的最大输 哈尔滨工程大学硕士学位论文 出功率为2 6 0 k w 。公司称安装在小型船舶上的最大航速可超过2 5 k n 。新近 开发的较大型为3 2 1 型，其特点是紧凑型集成式设计。3 2 1 型混流式叶轮直 径为3 2 0 r a m ，最大输出功率4 8 0 k w ，并专门考虑了高速滑行巡逻艇主机喷 水推进装置成组布置的方式。另一种更大型的喷水推进装置是3 9 1 型，叶轮 直径3 9 0 r a m ，最大输出功率7 9 0 k w 。 瑞典k a l i l e w 8 公司 自1 9 8 0 年进入喷水推进装置市场以来，瑞典的k a i l l e w a 公司作为大型喷 水推进装置市场的领头羊，现正联合该国的v o l v op e n t a 公司一起试图在小功 率喷水推进装置市场夺取更多的业务，正在建立输出功率1 5 0 - 6 0 0 k w 范围全 集成式喷水推进装置体系。这两家公司的合资企业a p s 公司推出的混流式喷 水推进装置和控制系统具有高航速下的高效率和令人满意的操纵性。 i c w a 公司向意太利芬坎蒂尼公司交付了用于船长1 4 6 米m d v3 0 0 0 型世界最大的单体渡船j u p i t e r 的4 台大型喷水推进器，总输出功率为 6 8 0 0 0 k w 。该船采用m t u g e 柴燃联动推进主机与4 台18 0 型喷水推进器相 连，其中2 台用于推进，2 台用于操纵。q u a d r u p l e 1 8 0 型喷水推进器是目前 在运行中喷水推进器输出功率最大的，吸收g el m 2 5 0 0 燃气轮机2 0 8 0 0 k w 功率作起动用。而q u a d r u p l e 1 6 0 型喷水推进器则安装在f i n n y a r d 船厂建造 的s i e n ae x p l o r e r 号双体渡船上。 k a l i l a w 丑公司管理层在年度报告中称，过去i o 年该公司的喷水推进装置 销售年增长率为1 5 。目前，该公司又在瑞典的g u s t a v s v i k 投资2 0 0 0 万美 元建造新厂。 荷兰l i p s j e t 公司 l i p sj e t 公司于1 9 7 5 年开始喷水推进装置的开发工作，目前能提供适合 任何功率要求的各型喷水推进装置，包括1 6 个基本型号，其喷水推进器的吸 水口直径从3 9 0 r a m 到1 6 1 m ，均已达到最优化，具有优异的推进性能和空泡 工况。 l i p sj e t 公司还为燃气轮机开发了大功率的喷水推进装置，叶轮直径超过 3 m 。其中通用电气公司的l m1 6 0 0 型燃气轮机驱动的l 3 1 8 0 喷水推进装景叶 轮直径为1 8 m ，g el m 2 5 0 0 燃气轮机驱动的l j 2 0 0 、l j 2 2 0 叶轮直径分别为 2 m 和2 2 m 。澳大利亚n e a tt a s m a n i a 公司的2 4 艘穿浪型高速车客渡船也安 装了l i p s 喷水推进装置。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 日本川崎公司( k a w a s u k i ) 1 9 8 7 年进入喷水推进装置市场的日本川崎公司由于受到国内繁荣的高速 渡船和高速货船市场的刺激，开发设计的k p t - a 系列单级轴流式喷水推进装 置输出功率己从5 0 0 k w 扩大到2 0 0 0 0 k w 。此外，值得一提的是日本三菱重 工安装在日本集中了国内主要造船研究力量而开发的t s l a 气垫高速货船 实尺度比例模型船上的2 台m w j 1 7 0 0 0 m 型喷水推进装置，该船获得了5 4 ：l n 的高航速，每台由1 台1 3 1 0 0 k w 燃气轮机驱动，叶轮直径为1 6 4 m ，转速5 4 5 转分。 在喷水推进装置的研究方面，我国虽然已经取得了相当进展，但是与国 外相比，差距仍然是相当大的。要使喷水推进技术迅速赶上国外水平，主要 还有下列工作要做【2 】： 加强对各类喷水推进泵，特别是大功率推进泵的理论研究和设计研究， 进一步提高各类泵的效率； 加强对水泵抗空泡措施及诱导轮的设计研究，以满足对大型、高转速推 进泵的需要； 加强对进水口及管道系统的空泡及阻力系数的实验研究； 加强对喷水推进船的倒车装置及转向装置的研究。 1 3 本文的研究工作 喷水推进器的核心部件是喷水推进泵。前苏联和日本采用的大都是多级 轴流泵，而美国和其他西方国家采用的以带诱导轮的混流泵居多。轴流泵和 带诱导轮的混流泵特点各异。轴流泵的径向尺寸较小；而带诱导轮的混流泵 的轴向尺寸较小。轴流泵的扬程较低，对于大吨位舰船需要多级串联；而带 诱导轮的混流泵单级即可。轴流泵的重量较轻，径向尺寸小，在舰艇上好布 置；而带诱导轮的混流泵重量较大，径向尺寸也大，布置起来显得比较拥挤。 目前的轴流泵比带诱导轮的混流泵效率稍高一些，但相差不大。因此这两种 泵各有千秋，在喷水推进器上都有应用【3 1 t 4 1 。 空化问题是制约流体机械性能提高的重要因素，为了提高水泵的设计水 平迫切需要对此问题进行深入地研究。本文根据工程软件的格式要求，编制 哈尔滨工程大学硕士学位论文 _ i i i , , , i 一 i _ 了与几种不同的叶片扭哇珏规律相对应的程序，生成了相应的数据文件，并且 利用全三维数值模拟技术对几种叶型弯曲规律对水泵空化性能的影响进行深 入分析和研究，得到的结论对于轴流水泵的设计有一定指导意义。 6 啥尔滨置程夫学颈士学经论文 第2 章流体枕械的空纯与空蚀 2 1 空化及空蚀机理涮 空化与空蚀是以液体为工 乍介质的叶片式流体机械( 即水力机械) 中可 鼹出现躲一秘物璎现象，它是粒在滚体中发生蛇现象，在固体苇珏气 零中郄 不会发擞。 2 1 1 窿化现兼 任何一种液体在恒定的溢力下加热，当液体的温度升高到莱温度时， 就会开始汽化，形成气淑，这称为沸腾。两当液体温度一定、降低压力列某 一稿界逶力对，镌会汽纯，闽时溶解于液体中韵气体析出，形成汽泡( 又称空 泡、空穴) 。如水流流经局部收缩的文吐刹管时，沿流动方向的服力变化如图 2 1 a 掰j 器。因魏，若逐渐增强滚耋，骜流速足够大靖，会使枝绫截面上豹压 力降低剡临界值( 对普通水而害，其临界值大体上等于相应温度下的汽化压 力) ，跃褥在喉都歼始汽话，形蔽空穴。又蘩绕流冀鳖辩，翼罄袭嚣压力分焉 如图2 1 b 所示，将翼型放在封闭的水洞中，增加绕流速度或降低熬个水洞的 基力，黧囊型鹜覆最低疆力楚豹莲力辫低妥菜一燕奏壤瓣，将糍魏善纛逡魂 汽泡。汽泡随水流运动别压力较高的地方后，泡内的蒸汽重新凝结，汽泡溃 灭。磐夔藿窆浚产生、发震弱浚灭，透会产生一系列懿糖理窝犍学变化。这 种由于聪力的变化而导教的液流内的空泡的产擞、发展和溃灭过程以及由此 蕊产生豹一系列物理秘织学变纯，穆为窆位。 叶片式水力机械中也会发生空化。在水力机械中，空化是一种非常有害 姆现象。空泡懿产生取发展改变了滚遂嚏的速发分布，会导致效率下孵，求 轮机的功率减少、泵的扬程降低，引起机器的搬动。空化发展剩一定的程度 时，可傻水力枧搬完全不能正常工作。缀泡溃灭的过程如果发生在固壁袭西， 会傻材料受鄄破坏。这稀由空亿弓i 起的材料破环，称为空蚀。空纯与警蚀是 水力机械提高能量指标的最主要的障碍。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 1 液体中空化区的形成 a ) 文吐利管中的压力分布与空化区的形成”沿翼型表面的压力分布与空化区形成 2 1 2 空化初生 空化初生是空穴在局部压力降至i 临近液体蒸汽压力的瞬间形成。试验表 明，水和其他液体在空穴初生时的压力与蒸汽压力都有不同程度的偏离，这 说明它与蒸汽压力的概念并不一致。蒸汽压力是液体蒸汽在特定温度下与现 有的自由面接触的平衡压力。若空穴在均质液体内形成，液体必须破裂。破 裂所需的应力不是以蒸汽压力来衡量，而是该温度下液体的抗拉强度。于是， 很自然地提出液体能否承受拉应力的问题。回答是肯定的，以水为例，从理 论上和实践上均证实了纯水能承受张力。许多学者用不同的方法对经过专门 处理的水进行抗拉强度的测量，所得结果大小不一，目前测到的最大抗拉强 度为2 6 2 7 m p a 。而用分子运动学的理论来计算，纯水能承受的抗拉强度为 1 6 0 3 2 5 m p a ，也有人计算出把水分子拉开2 j ( 1 j = l 1 0 1 0 ) 的距离所需的 拉应力为1 0 0 0 m p a 的数量级。但实际上在自然界中的水不能承受拉应力，例 如在水温2 0 0 c 时，当压力为2 4 0 0 p a ，水的连续性就被破坏，水就汽化了。 假若普通水能承受1 m p a 的拉应力，那就根本不会发生空化和空蚀了。 对于现有的理论计算及试验结果与普通水的实际抗拉强度有这样的明显 差别的解释是，液体中存在着破坏液体均匀性的杂质，改交了液体的结构， 削弱了液体的抗拉强度，以致液体根本不能承受拉应力。液体中的杂质是多 种多样的，而影响液体抗拉强度的杂质主要就是未溶解的气体。1 9 4 4 年 r 哈尔滨工程大学硕士学位论文 h a r v e y 、e n 等人用试验证实了这个论点，并提出了空化初生的“空化核” 理论。 设有一个非亲水性容器壁，有一夹角为2 吐的裂缝，在裂缝中形成“液一 气”分界面如图2 2 所示，由于非亲水性，即裂缝表面不是湿润的，故进入 裂缝的液体对于气体形成凸液面。图2 2 a 表示平衡状态，此时液体中含气量 达到饱和，平衡位置的界面半径为r ，接触角为0 , a + a 2 。图2 2 b 表示瞬态 平衡状态，此时液体的含气量未达到饱和状态，因此泡内气体将向外扩散而 被液体溶解，于是液体将向缝隙中推进，此时液面接触角臼。将增大，即 0 a o o ，而且界面的曲率半径将小于平衡状态下的值。气体被液体溶解后，泡 内气体压力下降，界面在泡外液体压力的推动下继续前移，当界面附近的液 体含气量达到饱和时，接触角又恢复到平衡值，于是界面又稳定在一个新的 平衡位置，此时的界面半径五，将小于起始半径r 。，即r ，芯 艟 羡 磷 孵走前蠊 、0谶k 瑟 一弼 囊 姑 i 1 q 联 丽隆篮静一 2 2 m , 1 t 妤、1 i r l 带l 碲一 图2 3 空泡的生长和溃灭过程 着在边界上的空腔，这种空腔称为固定型空泡。这种空泡的大小与绕流物体 的几何形状、表面粗糙度、液体的物理性质及流场中的压力与速度分布有关， 如图2 5 所示。 3 旋涡型空化这是由液流受到强烈扰动而产生的旋涡所形成的，多发 生在水力机械的进出口边( 水轮机的出口和泵的进口) 和绕流物体的尾部。 这种空化形态多呈螺旋形，这种漩涡的运动是不稳定的，如图2 6 所示。 4 振动型空化液体中的固体边界的机械振动将激发出相邻的液体产生 压力脉动，当震动振幅足够大时，就使液体发生空化。这种空化的特点是发 生空化的液体是静止的，它对材料有较大的破坏作用。 图2 4 游动型空化 0 m媳知帅蛐姆似 船 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 5 固定型空化 图2 6 螺旋桨上的漩涡空化 在叶片式水力机械中，主要是前三种空化影响机械的工作性能和造成材 料的破坏。第四种类型的空化则广泛出现在活塞式机器的水冷壁等部位，例 如水冷内燃机和活塞式压缩机等。 2 1 4 空蚀机理 空蚀机理是个十分复杂的问题，空蚀很可能是多种因素综合作用的结 果。事实证明，任何固体材料( 包括化学惰性的、非导电的、甚至高强度的) ， 在任何液体( 包括海水、淡水、化学惰性液体、甚至金属性液体如汞、钠等) 的一定动力条件作用下，都能引起空蚀破坏。 对于空蚀破坏的机理，目前比较一致的看法是，空泡溃灭的机械作用是 造成空蚀破坏的主要原因。在分析具体的空蚀破坏时，又有不同的观点，其 中有两种解释较为合理并为实验证实，故得到广泛的认可。 一种解释认为空蚀破坏基本上是由于从小空泡溃灭中心辐射出来的冲 击压力波而产生的，称为冲击压力波模式。它认为如在固体边界附近有一孤 立的溃灭汽泡，其渍灭压力冲击波将从汽泡中心传到边界上。使边界形成 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 个球面凹形蚀坑( 图2 7 ) 。根据凹坑的直径和深度可以计算出形成这个凹坑 所消耗的功，从而可推算出单个空泡溃灭时产生的冲击强度、初始空泡的直 径及其溃灭中心的位置等。 圆钼巍斑毪点 压线 图2 7 游移空泡溃灭示意图 美国柯乃普在实验中，根据高速摄影记录发现，每厘米圆周表面的试件 上约有o 7 1 x 1 0 6 个空泡进入滞点区，而在试件上只出现了约2 4 个左右的麻 点，这意味着3 万个游移空穴中只有一个产生破坏性冲击。图2 7 解释了这 个现象，图示为游移空穴在固定空穴下游溃灭的情况。当主流接近驻点时， 压力越来越高，游移汽泡在某一点( 其压力超过汽化压力) 溃灭时，压力冲 击波从溃灭中心作球状辐射传播，由图2 7 可知，液流是沿着滞止线趋近边 界的。气泡越大，其溃灭时间越长，即汽泡被液流带到边界的时间也越长， 故溃灭点与边界的距离将是气泡初始尺寸的函数。显然越大的气泡其溃灭点 越接近固体边界。同时，较大汽泡的溃灭能及溃灭压力也较大，导致边界空 蚀的可能性也较大。在图面上观察到的一般的游移空泡明显地在远离表面处 就溃灭，不足以产生破坏性冲击波。仅仅是极个别的空泡能游移到离表面足 够近的距离溃灭，才能造成空蚀麻点。由此可见，对于固定空穴后的液流， 虽然有大量的迁移性空泡发生溃灭，但其中只有几万分之的较大汽泡溃灭 时，才能导致边界的空蚀。 另一种解释认为空蚀是由较大的空泡溃灭时形成的射流所造成的。静水 中正在溃灭的空泡照片表明溃灭时空泡发生变形，这些变形随着压力梯度的 增加及距边界面的距离的减小而增大。该理论认为这种变形促成了流速很大 的微型液体射流，射流在溃灭结束前的瞬间穿透空泡的内部。如果溃灭离边 界相当近，则该射流会射向固体边界造成空蚀。图2 8 所示的微型射流模式 的示意图就是依据空泡溃灭时的观察而给出的。根据实验观测，空泡溃灭、 哈尔滨工程大学硕士学位论文 射流形成有三种不同类型。在图2 8 a 表示附着在壁面上的空泡，其溃灭过程 先是在顶部逐渐拉平，进而中间微向下凹陷，最后形成射流从中间穿透。图 1 8 b 表示流场中的空泡，先在高压侧变扁，继而凹陷，最后射流从高压侧向 低压侧穿透泡体。图2 8 c 表示临近壁面的空泡，先是在远离壁面的一侧拉平 继而凹陷，最后有微射流形成并穿透泡体射向壁面。 锄锄锄 种世碗胛莹地 。 和j 翦雌聒盥裾 。 啦抛磺部蹙舭划 塑盟 og 耐蛛一错堑向磊凄磊器 o 刀觋孽嬲刀觋 嘲燃黜戤 耩鎏髑黼 盛嚣擘蕊 q 之 磐凿岛辅l q i 乓3 彤万刁髟万 舯撬髀骷虚 图2 8 射流溃灭理论 a ) 附着壁面的半球型空泡b ) 空泡移入压力梯度区c ) 空泡近边壁溃灭 从图2 8 看到，不管哪一种类型，空泡在临近全部溃灭前的瞬间，在泡 的中心形成一股微射流，射流速度可以很高，经常达到1 0 0 m s ，甚至3 0 0 m s 。 因射流速度很大，故其所产生的冲击压力可用水锤压力公式来估算，即 p = p c a c ，其中p 为液体密度，c a 为液体中的声速，c 为微射流的速度，设c 为l o o r r _ d s ，则所产生的压力就要接近2 0 0 m p 。，f g h a m m i t t 曾估计，这种压 力高达7 0 5 1 0 8 p 。，微射流的直径约为2 3 p m ，抗冲直径约为2 - 2 0 p m ，边 壁受到的冲击次数约为1 0 0 1 0 0 0 次s c m 2 。压力脉冲作用的时间每次只有几 个微秒，这样形成的大冲击力可直接形成壁面上的蚀坑，重复作用的小的冲 击力也会引起材料的疲劳破坏。 有上述分析可知，有两种关于空蚀对材料破坏的理论，一种认为空泡在 溃灭过程中产生的冲击波从泡的中心向外放射时具有很大的冲击力，这种理 论常用来分析小空泡溃灭过程中对材料的破坏。另一种认为空泡在渍灭过程 中会发生变形，在空泡分裂成若干个小空泡的过程中引起很高速度的微射流 1 4 峻尔溟工狴大学硕士学位论文 柬，产生很强的冲击力。这种理论常用来解释大空泡溃灭过程中对材料造成 的破坏。 压力波模式和微射流模式提供了在阐体边界上蚀坑的形成过程。从窳蚀 实验观察可知，空蚀在固体边界上不是全蕊均匀分布的，丙是集中在某魑位 鬣。当开始形成第一个蚀坑后，在一定条件下，其发展邈度会比剐处更快， 蚀坑越采越大，越来越深，最后露致材料破碎丽被液流_ 申走。这是由于一旦 较大麻煮形成看，就会越到导波作用使破坏作用集中，从而加速了空蚀。 除此之外，也有用热力学作用和电化学作用来解释空蚀现敷的。热力学 俸用论认为，当空泡高遮受压焉，汽招离速凝结，扶丽放出大爨钧热，足以 使金属熔化造成损坏。电化学作用论认为，空泡溃灭时对固体边界的冲海首 兜使；串蠢熹温度秀嵩，与邻近静簿冲击赢冷端) 形减热电偶产生电流；萁 次在冲击点处其众属材料局部受力迫使金属晶格变位，而周围的晶体阻止它 静交位，麸嚣产擞电流。毫滚将霉| 莛毫释佟瘸露缆蠢转榜精菝臻，鬃数工程 上有时采用阴极保护来抑制空蚀。不过也有人提出阴极保护的作用在于抑制 囊继零囊稆峦予狡穰护豹金，| | 霉表覆蔽出懿塞奏鬣静气蛰佟臻，驮嚣减轻了空 泡溃灭的猛烈程度。在警泡溃灭过程中，有时会伴随着闽光现象，有人认为 憝枣子亳纯效应逡残戆，露更多麴磷究袭骥是出予汽辎巍遮凝续震藏出浆蹇 温引起的。总之，空蚀机理是一个十分复杂的问题，它还与化学腐蚀，泥沙 鬓撰等攘亘瞧进，使材料加速破坯。 2 。2 空饿破环类型及对，睦糍戆影响m 在农戆援弱咛片泵审，习馔上按照酸毒l ：发生麴部位对空纯耧空健避行分 类。通常将空化和空蚀分为以下四种基本类型： 1 。翼型空化髑窒蚀这季孛空位稆空 虫破坏主要发生农水轮娥髑时片泵的 转轮叶片上，当转轮叶片上某点眶力下降到当时液体温度下的汽化压力时， 穗在时片上产生爨型窆化鄹空蚀，这是水轮机和时片泵的主要空蚀形式，匿 2 , 9 为叶片泵的警蚀部位，其中瀚2 9 a 为离心式泵的破坏部位，多发生在叶 片的进口边的背蕊及厝燕扳处，图2 9 b 为轴流式泵的破坏部位，多发生在叶 片进永边背面及转轮叶片与轮毂连接处，同时在导叶的进口部分及紧靠时轮 晗尔滨工程大学硕士学位论文 叶片进口处的吸水管壁位置也有空蚀破坏。 图2 9 叶片泵转轮中的空蚀破坏 2 阔辕空纯鞠窒 塞阖豫窑亿亵空镶是当液滚逶遭狭，j 、通邋或竭辍融弓| 超局部流速升高、压力下降到当时液体温度下的汽化压力时而形成的，如混 流式拳轮褪和簧心泵转轮密封臻娃静阉稼，毒亵浚式转耱时片乡 缘与转轮室之 阐及叶片根部与轮毂之间的间隙，导叶哭闭后形成的间隙等。圈2 + 1 0 为轴流 转轮与裹心泵的阕骧窆镶。 3 窳腔空化和空蚀水轮机和叶片浆在某些偏离工况运行时，在转轮出 强葶鞋尾承警内 必脉动攫，缀骞荔摧爨锣( ) ；0 。憋连 续性方程和动擞方程中的各交燎表示域平均量与脉动擞的和，即 v = v + v ；l l = u 十封；v = v + ：、；5r = 酗件w ；p = 零+ p 褥到 挲+ v ， 1 0 0 0 a 表达为如下形式： 五；季一( 露v ) 帚。一草 ( 3 6 5 ) 哈尔演工程大学硕士学位论文 3 6 2 气穴的影响 每个气泡的容积都随着时间和空间而变化，其大小为m 1 ： 妒( f ，r ) = 积 t 3 - 6 6 ) 式中：r 为气泡的半径。 蒸气的体积含量定义为； g ，：黑 ( 3 6 7 ) l 十尹叩 式中：r 为单位液体容积里的气泡数。 体积率方程由连续性方程经过一系列变换得到： o 甜( a 审( 啊) 2 万p l 斋警+ 詈警( 3 - 6 9 ) 式中：p ，为不可压液体的密度。气泡在低压中产生，所以将空穴气泡的 流动视为等温过程，并且忽略蒸发潜热。r a y l e i g h - p l e s s e t 方程将气泡容积与 联系起来： ra 2 _ _ r r + 三( 垡马：g ：旦一鱼一4 旦堡竺 ( 3 - 6 9 ) d t 2 、d t 。p tp f r p 月a r t 这里p 。为气泡内的压力，仃为表面张力系数。 为了简化计算。f l u e n t 假定气泡的生长及溃灭过程为； 搬 府 2 ( p 口一p ) 3 n 2 。一p ) 、3 p ， 3 7 计算区域的离散化 3 7 1 网格生成技术概述 p v p ( 3 - 7 0 ) p ， p 网格生成技术是计算流体动力学( c f d ) 的重要组成部分，c f d 计算的 4 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 精度在很大程度上依赖于所生成网格的质量，可见网格生成技术是c f d 作为 空气动力学工程应用的有效工具需要解决的关键技术之一。 网格生成技术的本质是坐标转换技术。在c f d 计算中，最理想的情况是 计算外形的边界与计算坐标系的某坐标线相重合，以方便计算空间的数值 离散和边界条件的处理，此时的计算坐标系称为贴体坐标系。当计算外形没 有现成的贴体坐标系可用时，就需要通过坐标变换的方法构造出这样的一个 坐标系来，这个坐标系的构造过程即称为网格生成。 目前成熟的网格生成方法大致有复变函数法、代数变换法和微分方程网 格生成方法。复变函数法是利用保角变换理论将二维不规则区域变换成矩形 区域，并通过矩形区域上的直角坐标网格构造二维不规则区域贴体网格的方 法。应用复变函数法构造的网格光滑性好，在二维翼型计算等方面曾有过广 泛的应用，但由于该方法仅限于解决二维问题，且适用范围较狭小，已逐渐 被新的网格生成方法所取代，代数网格法是通过采用特定的代数关系式进行 中间插值的方式构造网格的方法，不同的插值算法产生了性质不相同的代数 网格，有直接拉线方法、各种以代数变换为基础的坐标交换方法、规范边界 的双边界法、超限插值方法等等。在众多网格生成方法中，应用相对较广泛、 生成网格性质较好的方法是微分方程法。该方法最早由w m s l o w 在19 6 7 年 提出，其实质是利用调和函数在坐标变换中保持光滑性和正交性不变的特点， 通过求解l a p l a c e 方程、p o i s s o n 方程等微分方程生成网格。微分方程方法生 成的网格对c f d 而言有较好的网格性质且通用性强，2 0 世纪七八十年代以 来，对微分方程网格生成技术的研究在流体力学和热力学的数值计算研究中 逐渐形成了一个分支领域。 。 网格生成技术除了通过一定的坐标变换方法生成给定区域的网格外，还 包括网格拓扑结构的确立、单连通网格区域的划分、表面网格处理等多项技 术。可以说，网格生成技术是一个涵盖了多种几何处理技术与技巧的复杂的 复合技术。 3 7 2 非结构网格生成技术 目前较成熟的构造复杂外形网格的方法是分区的结构网格方法。然而复 杂外形的结构网格构造复杂多变，需要花费较大的人力时间，如需作局部的 4 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 修改或改变其挺羚秘型，终耗费爨大，嚣兹近年来火翻逐渗耋援雯一类爨接 生成技术一非结构网格。非结构网格的基本思想旗于如下的假设：四面体是 窳三维空阈最麓擎瓣形状，钰嚣窆闻区域部可以皴酉霆体单元鼹填充，躲任 何空间区域都可以被以四面体为单元的嘲格所划分。由于非结构网格舍去了 续掏网格的限制，曩予控制网格謦元的大小、形炊及网接点位置，因此魄绫 构嘲格具有更大的灵活性，对于复杂外形的适应能力非常强。此外，对于结 构网格，在计算区域内的网格西徊网格线都应该保持连续，两非结构网榛就 茏此限制，这样艇消除了嘲格生成过程中的一个主要障礴；且其网格中个 点周围的网格点数与网格单元数都是不固定的，w 以方便她进行是适应计算， 合理分布阉格的巯密，撬商计算精度。 正是因为有遮系列的优点，非结构网格在诞1 0 年中得到了迅猛发展， 磁现了缀多不同豹方法采生成复杂乡 形的菲结梅潮格。瓣前常用的方法可以 归结为两大类，即d e l a u n a y 三角化法和推进阵面法。下顽以二维为例分别介 绣它稻静蒺本过程。 一、d e l a u n a y 三角化方法例 d e l a u n a y 三燕讫方法豹基本藏理是焱诗篓送润乎覆主分毒患装，霉依据 d i r i c h l e t 在1 8 5 0 年提出的利用已l 知点集将平面划分成凸多边形的理论：假设 平蘑上绘感一组点集 反 ，则其中每一点罄骞属予塞已懿一个区域s ，使褥 区域s 中的任意一点与该点的距离都比与其它点的距离j 琏，这种方法把平面 娥分成了系烈不重叠黪穗多边彤，蹦傲v o r o n o i 区域，覆盖燮令控制体。 d e l a u n a y 三角化是一个肖序的过程，通过该点粲扫， 将羧个平面三角化。实 现步骤如下： 第一步：网格初始化。 第二步：引入新顶点。 第三步：确定将要被刹除的节点号。 第四步：找出每个被删除顶点的形成点。 第五疹：确定邻接煮。 第六步：确定新顶点的形成点。 第七步：确囊新顶煮豹穗邻疆点。 第八步；重新整理v o r o n o i 圈的数据结构。 第九步：雩l 迭新静煮。 4 2 l 艿若0 5 5 x 爿b 2 a b 哈尔滨工程大学硕士学位论文 点排序，产生点列白。l 。 ( 4 ) 根据条件： 石 15 d ， b a 1 5 占 判定c 点是否加入点列幻。 中。 ( 5 ) 确定连接点。连接点是点列缸。： 中满足下列条件的点： 三角形a b a ，的内部不包含点列扫。 中除c 外的任意点。 线m a 不能与任意阵面上的边相交。 ( 6 ) 形成新的元索。新形成的三角形将被储存起来。如果选择了c 作 为连接点，则在平面上产生了新的节点，更新阵面。 ( 7 ) 继续进行步骤( 1 ) 至步骤( 6 ) ，直至阵面推进至边界，阵面上的 点逐渐减小至零，则完成平面的三角化。 3 8 本章小结 本章介绍了计算流体力学的发展和现状，讨论了计算流体力学的基础理 论，给出了流体机械内部流动的基本方程和标准k s 湍流流动模型，荠对基 本方程进行了离散，介绍了解决压力速度耦合问题的s i m p l e 算法，说明了 计算流体力学软件f l u e n t 的混合物模型( m i x t u r e ) 中对于两相流的处 理方法，