摘要
本文的研究是在江苏省青年基金项目“新型开放式水泵旋转效应下的流动特性及水力优化研究”（No.BK20180871）、中国博士后面上一等资助项目“基于无管路的新型开放式水泵水力设计及清洗特性研究”（No.2018M640462）和江苏省高等学校自然科学研究面上项目“开放式水泵内新型动静干涉机理的研究”（No.18KJB470005）的资助下开展工作。开放式水泵作为新型水槽式洗碗机的核心部件，因实现了洗碗机的开放式清洗技术而得名。但由于开放式水泵是一种原创性泵结构，其内部流动机理和参数影响机制尚不清楚。因此，本文拟采用数值模拟与试验研究相结合的方法对开放式水泵进行深入研究，以揭示新型洗碗机参数影响机理和多物理场耦合作用机制，为研制高效可靠的开放式水泵水力模型提供参考，其主要研究内容如下： （1）总结了国内外洗碗机的研究现状和开放式水泵内存在的关键技术问题，包括动静干涉机理、旋转射流机理等。首次对新型水槽式洗碗机和传统柜式洗碗机内的清洗系统进行了对比研究，揭示了两种洗碗机内的水泵、喷淋臂以及附加流道内部流动规律和水力损失机理，发现新型水槽式洗碗机在整机扬程和效率方面较传统嵌入式洗碗机具有优势，但同时存在严重的叶顶间隙涡和轴向旋涡等不利流动问题。 （2）针对开放式水泵无管路、外特性试验难的问题，首次创建了开放式水泵外特性试验台，解决了开放式水泵外特性和压力脉动测试难题。搭建了真机模拟试验台，创新发明了蜗壳旋转压力脉动测试技术，解决了蜗壳式喷淋臂被动旋转时压力脉动测试难题，首次揭示了蜗壳被动旋转时的压力脉动变化规律。搭建了开放式水泵PIV可视化试验台，实现了复合式叶轮和双隔舌蜗壳内流场的PIV可视化测量，揭示了开放式水泵内部流动规律。基于上述三种不同试验结果，分别从外特性、内流场和压力脉动三方面论证了数值模拟方法的准确性，确定了精度较高的数值模拟策略，为后续参数化研究提供可靠数值计算方法。 （3）首先借鉴传统轴流泵水力设计方法，对复合式叶轮底部前弯轴流叶栅进行了参数影响机理研究，对比分析了相同叶片数下不同叶栅稠密度、相同叶栅稠密度下不同叶片数、不同轮毂侧叶栅稠密度、不同叶片进口修圆直径、不同叶弦角和不同翼型厚度等关键几何参数对开放式水泵性能和内流场的影响规律。然后借鉴传统离心泵水力设计方法，对复合式叶轮顶部离心径向叶片进行了参数影响机理研究，对比分析了叶轮进口直径、轮毂直径、叶轮外径、叶片出口宽度、叶片数、叶片厚度和后盖板高度等关键几何参数对开放式水泵性能和内流场的影响规律。最后对开放式水泵双隔舌蜗壳进行了参数影响机理研究，探讨了基圆直径、断面偏心尺寸、隔舌安放角、隔舌螺旋角以及螺旋线曲率等关键几何参数对开放式水泵性能和内流场的影响规律。通过上述复合式叶轮和双隔舌蜗壳的参数影响机理研究，首次较系统全面地揭示了开放式水泵内关键几何参数作用机制，为开放式水泵水力设计方法的建立提供参考依据。 （4）基于FAVORTM-TruVOF方法系统研究了喷嘴几何参数和运动参数对平板冲洗的影响规律。首先基于文献的PIV试验结果验证了FAVORTM-TruVOF方法的准确性和算法的优势；然后对非淹没单射流进行了参数机理研究，对比分析了喷嘴直径、射流速度、射流角度、平板角度、喷嘴旋转速度、旋转半径等关键参数对平板内的瞬时和时均压力、时均自由面、时均二次流速度以及时均涡量等水力特性影响规律，尤其首次考虑了喷嘴转速的影响；最后在单射流的基础上对多射流喷嘴群形成的综合冲洗效果进行了参数机理研究，对比分析了相同流量下喷嘴个数和位置、相同喷嘴个数下位置和转速、相同喷嘴个数和位置下不同射流角度等参数对平板内的瞬时和时均压力、时均自由面、时均二次流速度以及时均涡量等水力特性影响规律，为喷淋臂的设计和喷嘴布置优化提供参考依据。 （5）为了解决新型洗碗机内涉及的复杂湍流流动、气液两相自由面流动、6DOF流固耦合运动等复杂多物理场流动问题，首次创新引用了基于笛卡尔网格FAVORTM技术的GMO-TruVOF方法联合简化泵模型实现了洗碗机内多物理场流动的数值模拟计算。对比分析了喷嘴和泵近似模型对蜗壳喷淋臂被动转速的影响规律，分别论证了喷嘴射流直径、喷嘴射流角度、喷嘴射流位置等喷嘴参数和泵工况参数（转速和流量）对开放式水泵内自由面、含水率、压力分布、涡量分布，以及蜗壳被动转速和蜗壳质心速度的影响规律，并对仿真结果进行了力学统计分析。最后基于该方法首次建立了水槽式洗碗机冲洗性能预测的数值计算方法，即：第一步通过外特性预测提供泵转速适应系数和轴向速度系数、第二步基于GMO-TruVOF方法联合简化泵模型获得蜗壳被动转速和各喷嘴的流量、第三步进行带自由面的旋转射流模拟计算获得洗碗机冲洗评估结果。通过这种创新的数值计算方法实现了洗碗机内复杂的多物理场耦合模拟计算，使模拟计算结果更接近洗碗机的真实情况，为开放式水泵设计和优化提供了全新的数值模拟技术。
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