摘要
空化是流体机械领域特别是水力机械中普遍存在的一种现象。空化的发生和发展会引发强烈的振动和噪声等，严重影响机械设备的正常运行。此外，空化严重时会引起空泡堵塞流道，进而迅速降低设备的扬程和效率，造成能源的浪费，并对机械设备的持续运行产生负面影响。它已经成为工程实践中不可忽视的问题。鉴于空化现象的复杂性，对空化的研究仍然面临许多挑战。为了避免空化对水力机械造成更大的损害，深入研究空化发生和发展机制及控制策略具有重大意义和价值。 本文首先选用NACA0015水翼作为基础模型，通过数值方法与实验对比，研究凹槽结构对水翼空化性能及水动力特性的影响，验证了凹槽结构抑制水翼云空化的有效性。然后，将凹槽结构布置于旋转叶栅上，探究布置凹槽对水力机械的影响，对叶轮内部流场进行分析。为了确保技术实施的可操作性，在离心泵的叶片前缘设计凹槽结构，进行瞬态空化数值模拟，分析适当参数的凹槽结构对离心泵空化不稳定性的影响，证实凹槽结构对于不同模型的空化抑制具有一定普适性。本文主要内容与结论如下： (1)详细介绍数值模拟所包含的控制方程、湍流方程和空化方程，选用修正的SSTk-ω湍流模型和Zwart-Garber-Belamrim空化模型。为验证数值模拟的可行性，对旋转叶栅和离心泵进行外特性和空化特性试验测试，对比实验与相应的数值模拟数据，结果表明试验值和模拟值的曲线趋势一致，误差限制于可容许误差内，进一步验证了数值仿真的有效性。 (2)以NACA0015水翼为研究对象，在典型空化数σ=0.8下对水翼的云空化流动特性以及升阻力系数、空化体积变化、压力分布情况等进行研究，研究结果显示水翼的云空化呈现周期性变化。在水翼的吸力面前缘布置凹槽结构，对弧度半径R、凹槽数量z、凹槽位置L三个参数的空化控制效果进行瞬态流动分析，研究发现，当R=70mm、z=20、L=0.3c时对水翼的空化抑制效果最佳，空化区域变小，升阻比增大，从而改善水动力特性，回射流强度降低，平均空泡体积降低了52.12%。 (3)鉴于凹槽结构有效抑制水翼云空化的基础上，结合数值模拟方法，选取能够有效抑制水翼云空化的凹槽具体布置参数，布置于旋转叶栅叶片前缘，研究凹槽结构对旋转叶栅的空化控制效果。对比发现布置凹槽结构对旋转叶栅外特性影响较小，与原模型相比，延缓了临界空化点，提高断裂扬程。处于空化初生及发展阶段时，凹槽模型降低了叶轮内部的空泡体积，梳理了流场结构。同时诱发相对高压，减弱了涡量场的强度，改善了旋转叶栅的空化性能，这是由于流体经过凹槽底部，分散了漩涡强度，改变了叶片表面的流动状态，从而抑制了叶片前缘空泡的生成。当空化处于严重阶段时，流体流经凹槽后流道呈放射状扩大，导致汽液两相流动紊乱，空泡区域范围扩大，造成流道的堵塞，旋转叶栅运行愈发不稳定，此时空化抑制效果有限。 (4)参考旋转叶栅的凹槽布置方式，在离心泵叶片背面的前缘布置凹槽结构，探究凹槽结构对低比转速离心泵空化不稳定性的影响。通过数值模拟计算发现，凹槽结构并不改变离心泵的外特性性能，在达到临界空化点时，提高了17.5%的断裂扬程。与原模型相比，布置凹槽结构使不同空化余量下的空泡体积减小，优化了流场内的压力分布，使叶片进口处的湍动能强度减弱。同时，降低了压力脉动，使振动和噪声等现象得以改善，限制离心泵的空化发展，验证了凹槽结构在空化控制方面的普适性。
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