推进泵叶顶间隙空化水动力学

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作者：季斌，程怀玉，徐顺，龙新平

出版社：科学出版社

本类榜单：工业技术

分类：工业技术 > 水利工程

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ISBN：9787030713995
装帧：一般胶版纸
册数：暂无
重量：暂无
开本：其他
页数：240
出版时间：2022-03-01
条形码：9787030713995 ; 978-7-03-071399-5

内容简介

叶顶间隙泄漏涡空化是在推进泵内部流场中的一种常见空化形式，它不仅会导致推进泵水力性能的下降，还会显著增强推进泵的振动、噪声和空蚀，严重威胁推进泵及系统的安全，是工程实践中迫切需要得到解决的问题。为此，本书以推进泵叶顶间隙空化为研究对象，较为全面地介绍推进泵叶顶间隙空化的试验测量技术、数值模拟方法、叶顶间隙泄漏涡识别技术、叶顶间隙泄漏涡的演变特性、空化对叶顶间隙流场的影响及其机制、推进泵间隙流场失稳及损失机理、推进泵间隙空化抑制策略等。

目录
第1章平直水翼试验与数值模拟方法 1
1.1 NACA0009 水翼 2
1.2 试验设备与方法 3
1.2.1 空化水洞简介 3
1.2.2 空化图像采集装置 4
1.2.3 激光多普勒测速装置 6
1.2.4 力（矩）测量系统 7
1.3 试验内容及试验流程 7
1.3.1 边界层厚度对TLV 空化的影响研究 7
1.3.2 TLV 空化的抑制策略研究 9
1.4 数值方法及设置 10
1.4.1 控制方程及大涡模拟方法 10
1.4.2 Schnerr-Sauer 空化模型 11
1.4.3 计算域及模拟设置 12
1.4.4 无空化流动网格划分及网格无关性分析 13
1.4.5 LES 空化流动网格划分及结果可靠性分析 18
1.5 数值模拟的算例汇总 22
1.6 本章小结 23
第2章气核对涡空化的影响及其模化方法 25
2.1 原始S-S 空化模型在TLV 空化中的适用性 26
2.2 椭圆翼梢涡空化流动 27
2.2.1 计算域及计算设置 27
2.2.2 网格生成及细化 28
2.3 原始S-S 空化模型对梢涡空化的预报 29
2.3.1 无空化条件下的梢涡特性 29
2.3.2 原始S-S 空化模型预测的梢涡空化 30
2.4 不可凝结气体对梢涡空化的影响 32
2.5 考虑气核效应的欧拉-拉格朗日空化模型 33
2.6 新空化模型预测的椭圆翼梢涡空化 36
2.7 新空化模型预测的TLV 空化 37
2.8 本章小结 39
第3章平直水翼TLV流动特性 41
3.1 TLV 的演变特性 42
3.1.1 TLV 演变特性，τ= 2.0 42
3.1.2 TLV 演变特性，τ= 0.7 43
3.1.3 TLV 演变特性，τ= 0.2 44
3.1.4 间隙范围的划分及其依据 45
3.2 常见涡拟合模型及其适用性评估 45
3.3 TLV 环量的影响因素及其预报框架 49
3.3.1 TLV 环量与水翼负载的本质关联 49
3.3.2 各间隙大小下的TLV 环量预报方法 53
3.3.3 TLV 环量预报框架及方法 60
3.4 TLV 半径的影响因素及定量评估 61
3.4.1 TLV 半径的影响因素 61
3.4.2 TLV 半径的定量评估 63
3.5 TLV 涡心处气核浓度的变化规律 65
3.6 本章小结 67
第4章平直水翼TLV空化流动特性 69
4.1 针对旋涡空化流动的新空化数 70
4.2 典型工况下TLV 空化的演变特性 72
4.2.1 间隙大小对空化演变的影响 72
4.2.2 TLV 空化的发展阶段及特点 77
4.3 空化对TLV 的影响 79
4.3.1 空化对TLV 强度的影响 79
4.3.2 空化对涡心气核分布的影响 81
4.3.3 空化对TLV 半径的影响 83
4.4 空化对涡量分布的影响 86
4.5 空化对湍动能分布的影响 88
4.6 边界层对TLV 空化的影响 92
4.7 本章小结 95
第5章平直水翼TLV空化控制方法 97
5.1 OHGs TLV 空化抑制器 98
5.2 OHGs 对TLV 空化的抑制效果及优化设计 99
5.2.1 不同空化抑制装置的效果对比 99
5.2.2 OHGs 结构参数的优化设计 101
5.2.3 *佳的OHGs 参数组合 103
5.3 OHGs 对TLV 空化的抑制机理 106
5.4 本章小结 109
第6章推进泵试验与数值模拟方法 111
6.1 推进泵几何模型及坐标系统设定 112
6.1.1 推进泵几何模型 112
6.1.2 坐标系统设定 112
6.2 推进泵主要性能参数定义 113
6.3 空化水洞简介 113
6.4 试验内容及试验流程 114
6.4.1 敞水性能试验 114
6.4.2 匀流场空化斗试验 115
6.4.3 LDV 试验 116
6.4.4 高速摄影试验 117
6.4.5 模型试验工况汇总 117
6.5 数值模型及方法 118
6.5.1 控制方程 118
6.5.2 湍流模拟方法 119
6.5.3 空化模型 122
6.6 计算域及计算设置 123
6.7 网格划分及网格无关性分析 124
6.7.1 网格划分策略 124
6.7.2 无空化工况结果可靠性分析 126
6.7.3 空化工况结果可靠性分析 126
6.8 本章小结 129
第7章推进泵TLV空化非定常特性 131
7.1 推进泵空化工况的选取 132
7.2 典型空化工况下叶顶间隙空化时空演变特性 133
7.3 不同空化工况下推进泵外流场特性分析 135
7.4 不同空化工况下推进泵外特性分析 138
7.5 推进泵内空化体积及压力脉动特性研究 141
7.6 本章小结 146
第8章推进泵TLV空化结构辨识及其演变特性 149
8.1 不同涡识别方法的简介 150
8.1.1 **代涡识别方法 150
8.1.2 第二代涡识别方法 150
8.1.3 第三代涡识别方法 152
8.2 不同的涡识别方法对TLV 空化流动结构辨识的对比分析 153
8.2.1 Ω涡识别方法中ε的选取 153
8.2.2 不同涡识别方法的对比分析 155
8.3 基于Liutex 涡识别方法的TLV 空化流动宏观演变行为分析 159
8.4 基于Liutex 涡识别方法的TLV 空化涡动力学特性分析 163
8.4.1 TLV 涡心位置的变化规律 163
8.4.2 TLV 半径的变化规律 164
8.4.3 TLV 涡心处旋涡强度的变化规律 165
8.5 本章小结 165
第9章推进泵TLV空化动力学特性和湍动能输运分析 167
9.1 坐标系的介绍 168
9.2 叶顶间隙空化对涡量分布的影响 168
9.2.1 叶顶间隙空化对轴向涡量分布的影响 168
9.2.2 叶顶间隙空化对周向涡量分布的影响 169
9.3 柱坐标系下的涡量输运特性分析 170
9.3.1 柱坐标系下的涡量输运方程 170
9.3.2 轴向涡量输运特性分析 171
9.3.3 周向涡量输运特性分析 175
9.4 叶顶间隙空化对湍动能分布的影响 179
9.5 柱坐标系下的湍动能输运特性分析 181
9.5.1 柱坐标系下的湍动能输运方程的推导 181
9.5.2 TLV 空化流场中无量纲湍流的应力分布特性 182
9.5.3 TLV 空化流动中湍动能输运特性分析 186
9.6 本章小结 193
第10章推进泵TLV空化流场的不稳定及间隙损失 195
10.1 推进泵叶顶间隙空化流场的非定常波动特性 196
10.1.1 推进泵叶顶间隙空化流场波动分析 196
10.1.2 叶顶间隙空化流场中TLV 的破碎及不稳定性分析 203
10.2 推进泵TLV 空化的起始位置 209
10.3 不同空化工况下的推进泵叶顶间隙损失 212
10.3.1 推进泵叶顶间隙泄漏损失分析 212
10.3.2 推进泵叶顶间隙外的混掺损失分析 218
10.4 本章小结 223
参考文献 225

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节选

**章平直水翼试验与数值模拟方法长期以来，试验研究一直是人们认识、了解空化流动现象的重要方法，能够科学、客观地反映试验变量与因变量的关系，可靠性高，重复性好，因而通常是检验理论与数值模拟结果的基准。但是，试验研究也往往存在试验周期长、费用高昂、获取数据有限等缺陷。随着计算机技术的飞速发展，数值模拟方法在空化流动的研究中逐渐得到重视。相对试验研究而言，数值模拟方法成本较低、周期短，可获得大量的流场信息。但是数值模拟结果的精度高度依赖于数值模型的准确性，往往需要试验数据对其进行校核。试验观测与数值计算作为空化流动研究中的两种重要手段，高度互补。为此，本书将综合利用这两种分析方法，结合空化流动理论，对叶顶间隙泄漏涡（tip-leakage vortex，TLV ）空化流动进行深入分析。本章将对研究中的水洞基本情况、试验流程、数值计算所采用的数值方法、数值结果的可靠性等进行详细的介绍。 1.1 NACA0009 水翼本书采用的水翼为一个尾部截断的NACA0009 水翼，见图1-1。其名称中的**位数字代表*大弯度占弦长的百分比，第二位数字代表*大弯度与水翼前缘的距离占弦长的十分之几，后两位数字则代表水翼*大厚度占弦长的百分比，四位数翼型默认*大厚度位于距前缘 30%弦长处。NACA0009 水翼为对称翼型，因而前两位数字为“00”，表明该水翼没有弯度，后两位数字“09”表明该翼型的*大厚度为弦长的9%。NACA0009 水翼的轮廓可由式（1-1 ）给出：（1-2）图1-1 NACA0009 水翼[1] 需要注意的是，在本书的研究中，该水翼在弦长C= 100 mm 处被截断，见图1-1，展长S为1.5C，*大厚度h约为0.1C。 1.2 试验设备与方法 1.2.1 空化水洞简介本书中的TLV 空化机理试验主要在瑞士洛桑联邦理工学院的高性能空化水洞中进行。图1-2 是该水洞的结构示意图，主要包括测试段、循环泵、除气管道及循环管道等。其中，测试段尺寸为150 mm×150 mm×750 mm（图1-3），测试段流速*高可达50 m/s，*高可承受16 个大气压。得益于其良好的结构设计，测试段入口处的来流湍流度一般小于0.3%，是较为理想的TLV 空化机理试验平台。该水洞的主要参数见表1-1 。图1-2 水洞结构示意图[1] 图1-3 测试段结构示意图[1] 表1-1 水洞的主要参数为了便于调节叶顶间隙大小，该实验室还特意设计了一种间隙大小调节装置，见图 1-4。该装置主要由水翼安装槽、滑块丝杆机构、旋转手柄及附属固定支撑等部件组成。利用该装置，可以在试验中方便地使间隙大小在0～20 mm 内随意改变。图1-4 间隙大小的调节装置[1] 1.2.2 空化图像采集装置 1. 照相机与灯光布置图1-5 、图1-6 分别为照相机、频闪仪与水翼相对位置的示意图及实物照片。本书试验使用的照相机型号为Nikon D200 。照相机垂直于水洞的主流方向，其轴线经过水翼的中点。一只型号为DRELLOSCOP-2008-PHS 的频闪仪从照相机的同侧斜上方照射到水翼的叶片顶部，试验中使用的频闪仪频率为20 Hz 。在TLV 空化发展过程中，由于空泡对光的散射，当光照射到空化区域时，该区域呈现高亮的白色；当光照射到无空化区域时，水洞的内壁面为黑色，该区域呈现黑色。图1-5 空化图像采集装置布置示意图图1-6 空化图像采集装置布置实物图 2. 误差分析根据试验得到的图像分析TLV 空化的长度、空化区域大小等信息，需要从图中进行测距，检测由拍摄视角引起的误差esight 是否满足精度要求，esight 的定义如下：（1-3）其中，θhs 为50%的视角大小，即（1-4）式中：Ｗhs 为照相机拍摄区域对应的实际宽度；Lhs 为镜距，即照相机与水翼顶部端面的距离。在本书的试验中，照相机相对水翼的位置恒定，其大小为1.0 m ，拍摄区域对应的实际宽度Ｗhs 为0.2 m。由式（1-3）、式（1-4）可知，其误差esight =1.97%，不足2%，误差较小。因此，根据图像获得的TLV 空化长度、空化区域大小等参数是可靠的。 1.2.3 激光多普勒测速装置激光多普勒测速（laser Doppler velocimetry，LDV ）技术是一种利用激光的多普勒效应对流体或固体速度进行测量的技术。当流场中的示踪粒子相对于激光光源发生相对运动时，从示踪粒子表面散射回来的光的频率与光源的频率有所不同，即多普勒频移。该频移量的大小与示踪粒子的速度、激光的入射方向和速度方向的夹角有关，通过监测该频移量，可获得示踪粒子（即当地流场）的速度。图1-7 为LDV 原理示意图。LDV 技术具有精度高、响应快、测量范围广、空间分辨率高及非接触测量等优点，是速度测量技术领域的重要发展方向，已经在空化流场的速度测量中得到了广泛的应用。图1-7 LDV 原理示意图本书采用的是一种双频LDV 仪，其型号及主要技术参数见表1-2 ，其可分辨的*小位移距离和角度分别为0.01 mm 、0.001°。测量中使用的示踪粒子为内部空心的玻璃球，其直径为10 μm，密度为1 100 kg/m3。试验中，LDV 仪被安装在一个可在竖直平面内自由移动的支撑架上。通过传动电机及其相应的控制软件，可以让LDV 仪按预设的测量点依次自动完成测量。表1-2 LDV 仪的主要参数

作者简介

季斌，男，江苏盐城，1982年10月生，博士，教授，博士生导师。主要从事水力机械/船舶海洋装备空化水动力学应用基础研究。主持国家自然科学基金5项(1项青年、3项面上、1项优青)，发表SCI论文90余篇，7篇论文入选ESI高被引论文，1篇论文被评为“2015年中国百篇具影响国际学术论文”，多篇论文获J. Hydrodyn.高被引论文奖，获省部级科技奖励4项，2015年入选湖北省“楚天学者计划”，2017年获湖北省杰出青年基金，2018年获周培源水动力学奖，入选爱思唯尔(Elsevier)中国高被引学者榜单(水利工程学科，2020年度)。

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