轴流泵失速和空化流动特性及其性能改善研究

【摘要】失速和空化是轴流泵内部两种典型的非稳定流动现象，易导致轴流泵性能下降，影响轴流泵机组的安全稳定运行。长期以来，研究人员一直试图探寻轴流泵内部非稳定流动的产生机理，以期改善非稳定工况下的轴流泵性能。本文在构建曲率修正的滤波器湍流模型的基础上，就失速和空化引起的泵内非稳定流动特性进行深入研究，分析在这两种非稳定工况下造成轴流泵性能降低的内部流动机理，在此基础上针对小流量工况下存在的不稳定“马鞍区”和叶片表面流动分离引起的泵性能下降，以及轴流泵空化等问题，分别提出相应的流动控制措施并进行验证分析。本文具体工作包括：一、曲率修正的滤波器湍流模型的建立及其验证考虑到轴流泵内部流动具有多尺度、非定常的特点，且过流部件的曲面结构和叶轮的旋转还会引起流动曲率效应，构建了曲率修正的滤波器湍流模型—FBM-CC。经算例测试分析，验证了FBM-CC模型不仅能够捕捉到较为丰富的湍流尺度信息，而且增强了对流动曲率效应的敏感性，提高了受到曲率效应影响的非定常流动的计算精度。二、失速工况下轴流泵内部流动特性的研究采用FBM-CC模型对失速工况下轴流泵内部流动进行数值计算，并与实验结果进行对比。结果表明FBM-CC模型不仅能够有效预测轴流泵的水力性能，而且还能捕捉到失速工况下叶轮内部的典型流动结构。对叶轮流场进行BVF诊断分析，发现叶片表面的BVF正峰值区域正是产生不稳定流动并对叶轮做功不利的部位。通过对失速工况下泵内流场分析，发现在靠近叶轮轮毂处存在从叶片尾部流向相邻叶片压力面的流动，并随着失速程度的加剧，该流动区域增大，甚至会堵塞叶轮通道。通过对叶轮进、出口流态的研究，发现流量的减小、叶顶间隙的增大，都会引起叶轮进口回旋流动的增强。研究表明，由于叶轮进口回旋流以及叶片表面分离流造成流道的严重堵塞，导致轴流泵“马鞍区”的形成。三、空化工况下轴流泵内部流动特性的研究采用均相流模型，结合FBM-CC模型以及基于输运方程的空化模型，建立空化流动的数值模拟方法，就三维扭曲翼型的云空化流动问题进行算例分析和有效性验证。分析轴流泵装置模型空化性能和叶轮内部空化流场的可视化观测结果，发现叶片表面产生的云空化对于轴流泵性能突降有重要影响。通过对轴流泵内的空化流动进行数值计算，并与实验结果进行对比，结果表明所采用的数值模拟方法不仅能够有效预测轴流泵的临界空化余量，而且还能捕捉实验观测到的叶轮内部典型空化流动现象。研究发现，在逆压力梯度作用下产生的侧向射流会引起叶片表面空泡的脱落，并由此激发多种尺度涡结构而影响叶轮出口流场的均匀性，进而造成轴流泵的水力性能和运行稳定性的降低。四、轴流泵性能改善的研究为减轻失速工况下叶轮进口回旋流动对轴流泵性能造成的影响，采用在轴流泵进口锥形管内侧壁均布条状物的辐条流动控制技术，并基于FBM-CC模型，对改进前后的轴流泵模型水力性能以及泵内流动特性进行数值模拟和对比分析。结果表明，辐条控制技术可有效削弱失速工况下叶轮进口处的旋涡强度，提高叶轮进口入流的均匀性以及叶片的做功能力，在一定程度上可以提高轴流泵的效率，并且能有效抑制“马鞍区”的形成，从而使得扬程曲线随流量改变维持稳定的变化趋势。针对小流量工况下叶片表面的流动分离对轴流泵性能的影响，提出了一种新型的导流式叶轮，即将传统叶片分割为前置小叶片和后置主叶片的形式。在对轴流泵翼型进行参数优化分析的基础上设计了导流式叶轮，并对其进行性能测试。结果表明，导流式叶轮可以提高小流量工况下轴流泵的效率，在一定程度上抑制了“马鞍区”的形成，改善了叶轮进口处的压力脉动特性和泵体的振动特性。采用FBM-CC模型对带有导流式叶轮的轴流泵内部流动进行数值模拟分析，发现在前置小叶片的导流作用下，叶片前缘的流动分离以及深度失速工况时叶片吸力面侧的通道涡等不利的流动现象在一定程度上均受到了抑制。在叶片吸力面靠近其尾缘处设置挡流条，通过数值模拟，探索了抑制轴流泵空化的方法。结果发现，辐条的宽度变化对空化抑制作用较小，而适当高度的挡流条具有一定的空化抑制作用，但过高的挡流条会引起局部空化程度加强，还会造成局部能量损失增大而引起轴流泵效率的下降。
【作者】张睿；
【导师】陈红勋；
【作者基本信息】上海大学，流体力学，2014，博士
【关键词】轴流泵；失速；空化；水力性能；曲率修正；流动控制；

【参考文献】
[1]陆玉.论网络舆论与司法审判的关系[D].河北经贸大学,法律,2014,硕士.
[2]洪晓韵.建设面向知识管理信息系统的实例介绍[J].情报杂志,2004,07:19-20.
[3]董留亭.具有路由功能的烟感温感ZigBee节点研发[D].广东工业大学,信息与通信工程,2014,硕士.
[4]郑文.数据挖掘在股票分析中的应用[D].复旦大学,软件工程,2012,硕士.
[5]薛元.细颗粒在流动与温度边界层中的运动规律研究[D].清华大学,热能工程,2002,硕士.
[6]黄钟庭.FOXE1在大肠癌中的表达及其功能研究[D].浙江大学,肿瘤学,2014,硕士.
[7]高磊.动车组轴箱转臂疲劳强度研究[D].西南交通大学,车辆工程,2014,硕士.
[8]刘颜欣,董晓峰.新时期兰州市安宁区发展定位与战略研究[J].甘肃科技,2014,06:1-2+27.
[9]王增强.地下电缆温度场和载流量的数值模拟[D].河北工业大学,2003.
[10]管梁.节能环保型抽油烟机智能控制模块的研究与实现[D].广东工业大学,控制科学与工程,2013,硕士.
[11]龚鹄.基于“机器人教育”的幼儿结构游戏设计研究[D].湖南师范大学,学前教育（专业学位）,2013,硕士.
[12]顾汉明,赵树元.横向变速介质中叠加速度误差分析[J].石油地球物理勘探,1996,01:68-76+166.
[13]刘允刚,潘子刚,施颂椒,戴立言.严格反馈随机非线性系统风险灵敏度输出反馈控制器设计[J].自动化学报,2002,03:391-400.
[14]孙婉竹.我国农村乡风文明建设研究[D].东北农业大学,马克思主义基本原理,2013,硕士.
[15]刘宇.铁路货车基础制动装置专用拉铆销的研制[D].西南交通大学,车辆工程,2012,硕士.
[16]李倩.企业并购中的价值评估：AP公司收购G公司的案例研究[D].天津大学,工商管理,2013,硕士.
[17]黄卫东.基于三维打印技术的植入式给药系统研究[D].华中科技大学,2007.
[18]张荣卿.衡阳市雁城宾馆中高层管理人员激励机制研究[D].湖南大学,工商管理,2012,硕士.
[19]张陆.绩效考核系统的设计与实现[D].北京工业大学,计算机技术（专业学位）,2013,硕士.
[20]王谷雨.局（丁二酸丁二醇酯-co-丁二酸已二酯醇）共聚酯及其共混体系的结晶行为研究[D].北京化工大学,材料科学与工程,2013,硕士.
[21]宋丽.论转基因技术对动物福利的影响[D].南京理工大学,科学技术哲学,2013,硕士.
[22]胥耀方.面向交通网络排放测算的机动车运行模式分布模型[D].北京交通大学,2012.
[23]蒋小红.广西猪繁殖与呼吸综合征病毒的分子生物学研究[D].广西大学,预防兽医学,2004,硕士.
[24]隋洲.曲面零件连续成形的理论与数值模拟研究及控制软件开发[D].吉林大学,2014.
[25]赵洪宝,安锦.基于HE可靠性理论的绿色供应链管理研究[J].物流技术,2015,06:197-199+207.
[26]尚文胜.新医改下湖南芝林药业集团有限公司市场定位研究[D].湘潭大学,工商管理,2011,硕士.
[27]王少文.一体化运作提升房地产开发企业整合营销实施效果的研究[D].西安建筑科技大学,工程经济与管理,2013,硕士.
[28]李余文.劳务派遣法律适用问题研究[D].吉林大学,法律,2013,硕士.
[29]赵发坤.基于PSCAD/EMTDC的海上风电场等效模型与无功补偿研究[D].浙江大学,2014.
[30]王勇.温控组件性能模拟测试设备的研制[D].哈尔滨工业大学,仪器科学与技术,2013,硕士.
[31]李勇.四川石油地质调查处发展战略研究[D].西南财经大学,工商管理,2003,硕士.
[32]蔡丽艳.基于H.264嵌入式网络视频监控系统的研究与实现[D].南京邮电大学,信号与信息处理,2013,硕士.
[33]杨波.探析中国当代乡土风情油画的图式表现[D].西南大学,美术学,2013,硕士.
[34]王旭.排除合理怀疑证明标准适用问题研究[D].安徽大学,法律,2014,硕士.
[35]王小成.北祁连野牛沟—青石嘴—带铜铅锌矿床成矿规律及找矿方向研究[D].中国地质大学（北京）,地质工程,2013,硕士.
[36]沈杰.全关节植入用氧化稳定型交联超高分子量聚乙烯的制备与性能研究[D].宁波大学,物理化学,2014,硕士.
[37]逯志敏.PP2对渥曼青霉素诱导的小鼠空间记忆损伤的保护作用及机制研究[D].华中师范大学,动物学,2014,硕士.
[38]王依平.地方政府债务风险及防范对策研究[D].西北师范大学,公共管理,2013,硕士.
[39]李慧,成德安,金婧.网格层析成像速度建模方法与应用[J].石油地球物理勘探,2013,S1:12-16+202+4.
[40]林国安.基于计划行为理论的铁路路外安全研究[D].西南交通大学,交通运输工程,2012,硕士.
[41]龚庆.亚音速壁板气动弹性系统非线性复杂响应研究[D].西南交通大学,工程力学,2013,硕士.
[42]寇磊.川西坳陷上三叠统须家河组沉积体系和层序岩相古地理研究[D].成都理工大学,地质学,2013,硕士.
[43]李春阳.国际视角下的当代中国文化建设路径探析[D].首都师范大学,马克思主义中国化研究,2014,硕士.
[44]高艳.“80后”厨房空间的色彩应用研究[D].江南大学,设计艺术学,2012,硕士.
[45]赵莉莉.图式理论与高中英语阅读教学[D].内蒙古师范大学,心理健康教育（专业学位）,2013,硕士.
[46]屠源.芜湖市人民检察院民事行政检察工作调查报告（2008-2012年）[D].安徽大学,法律,2013,硕士.
[47]王伟.姬塬油田冯地坑—刘峁塬区长6储层特征及有利区预测[D].西北大学,矿产普查与勘探,2013,硕士.
[48]吴若嫣.从交际翻译角度看文化负载词的翻译[D].广东外语外贸大学,翻译（专业学位）,2013,硕士.
[49]孔庆芳.老年人—照顾者—护士互动护理模式的行动研究[D].第二军医大学,护理学,2013,硕士.
[50]汪加才,文巨峰,陈奇,俞瑞钊.结构化模糊K-prototypes聚类算法[J].计算机科学,2005,05:155-158.