离心泵的长短叶片的空化行为

《机械科学与技术杂志》24日(10)(2010)2007 ~ 2016离心泵的长短叶片的空化行为Quangnha Thai and Changjin Lee航天信息工程系，建国大学，1深圳市华洋忆可恩东，广津区，汉城143-701，韩国(手稿收到2009年9月3日；接受2010年6月23日2010年5月31日修订；) 摘要：离心泵里的2-D 级联模型CFD 代码是为了预测叶轮叶片的离心叶轮的汽蚀行为。

控制方程是两相雷诺平均Navier-Stokes方程为齐次形式，其中两个液相和气相被视为不可压缩流体。

关闭模式，引入标准k-ε湍流模型，液相和气相之间的传质速率也被实现。

进行参照比较在叶轮离心泵叶轮的数据来实现验证。

当前离心泵的气蚀特性测试是在设计测试点（V= 8米/秒）和两个非设计点（V= 20米/秒和V=30米/秒）。

汽蚀和流动不稳定性判据呈现在叶片周围。

结果表明，当前的离心泵在设计点可以安全地操作无空泡。

此外，仿真结果表明气穴开发不均匀叶片在非设计点之中。

此外，同时还研究了叶轮的叶片额外的影响。

从数值计算的结果和外叶片汽蚀的角度来看，预计半身的叶片是最佳配置。

关键词: 汽蚀；半身的叶片；2-D 级联；离心水泵；叶轮1导言空化是一种现象，其中液体蒸发和蒸汽气泡发生的区域中的压力在蒸汽压力的液体降低。

它通常是出现在高速流体机械如螺旋桨，泵和叶轮叶片在流加速和压力降低。

空化可以产生侵蚀损坏，噪音，振动和周期性水力性能恶自产生以来，成长，蒸汽气泡的枯竭。

特别是，气蚀降低了离心泵效率并且造成压头的损坏。

空泡流的理解的共同课题为高速流体设计师之一机械。

在离心泵的流动在本质上是风起云涌，3-D和不稳定;有时会出现蚀。

离心泵的设计主要是基于稳态理论，经验关系，模型试验相结合，和工程经验。

在过去的几年中，然而，随着计算机的发展，存在有过许多研究的离心泵数值计算。

CROBA等。

[1]被认为是更现实的通过2-D，不稳定，不可压缩流和湍流。

阿纳格诺斯托普洛斯（2006）[2]模拟三维紊流在离心泵叶轮与笛卡尔网格代表，足够的精确度为离心的复杂几何水泵叶轮。

谢氏等。

（2007）[3]的模拟在一个离心泵叶轮具有六个复杂的内部流扭曲的叶片通过使用三维纳维 - 斯托克斯代码与标准K-ε两方程湍流模型。

不同的流速在入口边界被指定到预测的特性泵，如叶轮通道流，流动分离和压力分布。

如前所述，气穴中的叶轮自然是3-ð现象。

然而，由于在相当复杂的固有相变，数学模型和数值性质方法是相当难以建立。

一般情况下，该泵被设计成具有非零入射角操作在额定流速。

然而，在业务范围的条件下，叶轮叶片的攻角保持非常小的，因为变流线和的，叶片相关曲率。

在入口逆流可有时会发生，但它不强。

所以，一个2-D 接近ð级联可以采用。

2-D 级联的气穴计算被许多研究者研究至现在，代替的3-D 计算。

例如，Joussellin 等人 [4]模拟旋转气蚀和汽蚀采用二维非定常的发生四刀片循环级联结合的空化模型的数值计算方法正压状态法。

Iga et al.[5] 模拟传播现象空化作用，对应于旋转的腔，通过循环列： 三叶栅和讨论在不同条件下获得的结果的差异入口边界。

法国研究人员的协同工作[6，7] 进行了数值模拟和实验四叶片诱导剂使用的空蚀行为分析在叶栅非定常空泡流的 2-d 模型。

为减少计算时间和设计中分析，2-D 级联对三维计算穴蚀分析看起来像一种新技术。

基于预测的 2 D 级联。

更清楚的了解，可望为三维空化。

这就是为什么本论文想要模拟的原因通过使用 2 D 级联泵叶片周围的空。

我们感兴趣的模拟离心泵叶轮的叶片周围的空蚀行为。

主要目的是建立影响初生空化标准之间的互动在流道中的气蚀。

，附加在离心泵叶轮叶片的影响此外研究了通过评估空化特性包括空化区域和波动的地区质量流率。

也把额外的刀片优点和缺点作为这项研究的讨论。

2.基本方程及数值程序2.1 基本方程气液流被描述为一个被视为一种均匀的气泡 - 液体混合物单流体模型。

该下单流体模型包括一组方程的雷诺平均纳维 - 斯托克斯的保守形式公式，K-ε两方程湍流封闭和用于于液体体积分数输运方程。

相应的，动量和液相体积比例的方程被写入在笛卡尔坐标系如下：0.=+∂∂⎰⎰dS n v dV tm s m v ρρ (1) dV b dS n T dS n v v dV v t m v s m s m v ⎰⎰⎰⎰+=+∂∂ρρρ.. (2) dV m m dS n v dV t v s v )(...11-++=+∂∂⎰⎰⎰αα (3) 综上可得()()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂+⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=+∂∂++xi uj xj ui t ij j j t ij u u x u p T δμμ32对于密度和动力粘度的本构关系混合物的是：()l v l l m αραρρ-+=1 ()l v l l m αμαμμμ-=+=1 紊动粘性系数的定义如下：ερ2k c u u m t =2.2 空化模型 空化条件的基础上，Kunz 等。

模型[8]中，使用在这项研究中。

蒸发和冷凝速率给出如下：[]∞⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∞--=t U P P MIN C m l L V l v dest 2.21,0ρραρ ()∞+-=t C m l l l v prod ρααρ12. 综上1,103,10945=⨯=⨯=∞t C C dest prod2.3 数值方法 理事方程的离散化。

（1），（2），（3）完成利用有限体积法。

同位网格系统用于分配速度分量和从属变量。

对流扩散和条款区别在于迎风格式和中央计划。

压力和速度的解决办法可以显示一个非物理振荡由于使用了并置的网格系统和应通过在动量方程使用插值处理来避免振荡。

在参考文献[9]中科院找到详细的数值的描述。

2.4 2-D 级联和边界条件 分析流场数据将对流动机制提供深度见解。

2-D 级联流被采纳为方法用于本研究流分析。

二维刀片到刀片级联是通过切割的3-D 诱导几何绘制以恒定的半径等于所述顶端半径的70％，如图。

1.详细信息见参考文献[10]。

轴向流入口结合了叶片和意愿的旋转速度导致流和叶片之间的相对速度。

在本的2-D 计算中，刀片被认为是静止的和相对流程进入刀片与一定的角度攻击。

在本模拟中所用的边界条件包括流入，流出，防滑，以及周期性边界条件。

在入口，流速和液体馏分是施加和压力从内部外推点。

在下游，压力被施加，而其他变量外推。

在壁中，速度是零而另一个变量从内部外推点。

沿着该分隔叶片的线，所有变量从内部点外推。

周期性条件是在第四和第一通道之间施加。

假人电池必须被想象成尽可能的细胞原来的相应行考虑周期性边界条件。

变量必须根据被转移箭头，如图3所示。

2.两行的段1必须被转移到两个相应的线路上段2。

图 1. 2-D 级联模型[10]图 2.变量间段 1 和 2 段中定期转移图 3.级联域和边界条件图 4.通过轮廓的液相体积分数的瞬时流场的比较3.代码验证3.1 空泡流的2-D 级联泵诱导模型2-D 四叶片叶栅被认为是来检查的有效性我们内部的代码。

在计算条件中的计算域、边界正如图3所述。

刀片式服务器截面是克拉克Y-6%；沥青弦比和东倒西歪水翼艇的角度则分别为1.62和64.270。

的工作液是纯液态水(αl = 1），谈到叶片截面随速度34.54m/s和角发作的40。

雷诺数被固定为 5 × 105 [11]。

泵诱导轮操作标准压力下，空化数是0.5。

图4显示瞬时流场与腔表示由体积分数及所有通流部分充液在当下中灰色的颜色，而不是红色的颜色被修改要突出显示空化区域的计算。

自从刀片式服务器旋转被俘虏2 D级联建模、序列空化行为可以审查由大小的变异从一开始的连续叶片。

对叶片汽蚀A1 折叠在刀片A2然后继续崩溃论叶片A3或空化对叶片B1在叶片B2，开发然后继续上叶片B3进行开发。

增长和汽蚀枯竭导致流流动不稳定性。

斯特鲁哈尔数成反比的升力系数谱吻合良好波动可以找到与引用的比较[11]，如图5所示的结果。

强度的波动在St很大= 0.25，然后变得更小的增加在频率。

这意味着，片蚀段落之间的不均匀分布的开头计算，但逐渐变得更均匀到期对波动逐渐减少。

如果水流条件达到稳定，波动的强度会减弱针对这种较低的限制。

换句话说，最小的波动在稳定中得到。

在这种情况下，仍有波动，但强度最小。

图 5.斯特鲁哈尔数的升力系数波动频谱的比较图 6. 叶片流道和套管3.2 非恒定流叶轮使用 2 D 级联模型最近，北野武马吉求解非定常三维粘性在整个叶轮和蜗壳套管的离心泵流量并且结果表明通过叶片通道质量流率有波动[12]。

本论文希望，为核查之用，以确保内部代码可以不只取决于水翼艇上空化特性在也取决于在离心泵叶片泵诱导轮。

商业叶轮参考的原始模型[12]示于图. 6。

它笼罩，并有五个离心叶片。

叶片轮廓的轮毂和之间变化的外形。

在枢纽入口叶片从18.50角度变化导风槽到300人；出口处叶片角度是23.50。

出口直径，叶轮出口通道宽度分别是508毫米，72.5 毫米。

基圆直径蜗壳宽度在蜗壳壳体的基圆523毫米，94.3毫米分别。

在设计点的质量流率、总水头、转速和特定速度是730.0千克/秒、46.68米、1482转、68分钟-1。

详细信息请参考参考[12]表1。

1780 x 30结构化的网格生成；边界条件计算的数值计算方法相近与上一个。

水的流量来到的入口段落以6米/秒的速度。

离心泵是在标准压强条件下操作的。

在质量流率右后叶片在任期的时间进行比较本结果与参考。

同样的趋势图7所示非定常流动率在每篇文章中的可以观察到虽然本计算的结果是不是如此接近参考。

两个之间差异的主要原因结果在这里是因为在每次计算中采用的不同方法(三维计算中与2-D 级联的参考文件在本论文中计算）。

然而，可以看出，2-D级联模型相比三维方法能起到相当良好的预测作用汽蚀。

图 7.通过每个段落的非定常的质量流率 表 1.离心泵的工作范围 温度（C 0）密度（3/m kg ） 动态粘滞度 （s m kg ./） 速 度 （s m /） -35838.15 0.006727 6 20795.948 0.0009375 8 43781.218 0.0011925 10图8. 3-D几何形状和叶轮的预测图9. 配置泵叶轮不具有和具有半长刀片4.结果与讨论4.1 汽蚀周围使用 2 D 级联的叶轮的叶片在本研究是对馈送燃料JP-7;叶轮的结构如图8所示.叶片有两个圆弧形，厚度为0.5mm （S）和18毫米弦长（C）。

外径（D2）和内径（d1）的60个毫米和21毫米。

入口（βs1）和出口叶片（βs2）的角度是150和230有3个叶片和3半长叶片与11.25毫米通道宽度（H）。