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推進泵葉頂間隙空化水動力學 版權信息
- ISBN：9787030713995
- 條形碼：9787030713995 ; 978-7-03-071399-5
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
推進泵葉頂間隙空化水動力學 內容簡介
葉頂間隙泄漏渦空化是在推進泵內部流場中的一種常見空化形式，它不僅會導致推進泵水力性能的下降，還會顯著增強推進泵的振動、噪聲和空蝕，嚴重威脅推進泵及系統的安全，是工程實踐中迫切需要得到解決的問題。為此，本書以推進泵葉頂間隙空化為研究對象，較為全面地介紹推進泵葉頂間隙空化的試驗測量技術、數值模擬方法、葉頂間隙泄漏渦識別技術、葉頂間隙泄漏渦的演變特性、空化對葉頂間隙流場的影響及其機制、推進泵間隙流場失穩及損失機理、推進泵間隙空化抑制策略等。
推進泵葉頂間隙空化水動力學 目錄
目錄
第1章平直水翼試驗與數值模擬方法 1
1.1 NACA0009 水翼 2
1.2 試驗設備與方法 3
1.2.1 空化水洞簡介 3
1.2.2 空化圖像采集裝置 4
1.2.3 激光多普勒測速裝置 6
1.2.4 力（矩）測量系統 7
1.3 試驗內容及試驗流程 7
1.3.1 邊界層厚度對TLV 空化的影響研究 7
1.3.2 TLV 空化的抑制策略研究 9
1.4 數值方法及設置 10
1.4.1 控制方程及大渦模擬方法 10
1.4.2 Schnerr-Sauer 空化模型 11
1.4.3 計算域及模擬設置 12
1.4.4 無空化流動網格劃分及網格無關性分析 13
1.4.5 LES 空化流動網格劃分及結果可靠性分析 18
1.5 數值模擬的算例匯總 22
1.6 本章小結 23
第2章氣核對渦空化的影響及其模化方法 25
2.1 原始S-S 空化模型在TLV 空化中的適用性 26
2.2 橢圓翼梢渦空化流動 27
2.2.1 計算域及計算設置 27
2.2.2 網格生成及細化 28
2.3 原始S-S 空化模型對梢渦空化的預報 29
2.3.1 無空化條件下的梢渦特性 29
2.3.2 原始S-S 空化模型預測的梢渦空化 30
2.4 不可凝結氣體對梢渦空化的影響 32
2.5 考慮氣核效應的歐拉-拉格朗日空化模型 33
2.6 新空化模型預測的橢圓翼梢渦空化 36
2.7 新空化模型預測的TLV 空化 37
2.8 本章小結 39
第3章平直水翼TLV流動特性 41
3.1 TLV 的演變特性 42
3.1.1 TLV 演變特性，τ= 2.0 42
3.1.2 TLV 演變特性，τ= 0.7 43
3.1.3 TLV 演變特性，τ= 0.2 44
3.1.4 間隙范圍的劃分及其依據 45
3.2 常見渦擬合模型及其適用性評估 45
3.3 TLV 環量的影響因素及其預報框架 49
3.3.1 TLV 環量與水翼負載的本質關聯 49
3.3.2 各間隙大小下的TLV 環量預報方法 53
3.3.3 TLV 環量預報框架及方法 60
3.4 TLV 半徑的影響因素及定量評估 61
3.4.1 TLV 半徑的影響因素 61
3.4.2 TLV 半徑的定量評估 63
3.5 TLV 渦心處氣核濃度的變化規律 65
3.6 本章小結 67
第4章平直水翼TLV空化流動特性 69
4.1 針對旋渦空化流動的新空化數 70
4.2 典型工況下TLV 空化的演變特性 72
4.2.1 間隙大小對空化演變的影響 72
4.2.2 TLV 空化的發展階段及特點 77
4.3 空化對TLV 的影響 79
4.3.1 空化對TLV 強度的影響 79
4.3.2 空化對渦心氣核分布的影響 81
4.3.3 空化對TLV 半徑的影響 83
4.4 空化對渦量分布的影響 86
4.5 空化對湍動能分布的影響 88
4.6 邊界層對TLV 空化的影響 92
4.7 本章小結 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 對TLV 空化的抑制效果及優化設計 99
5.2.1 不同空化抑制裝置的效果對比 99
5.2.2 OHGs 結構參數的優化設計 101
5.2.3 *佳的OHGs 參數組合 103
5.3 OHGs 對TLV 空化的抑制機理 106
5.4 本章小結 109
第6章推進泵試驗與數值模擬方法 111
6.1 推進泵幾何模型及坐標系統設定 112
6.1.1 推進泵幾何模型 112
6.1.2 坐標系統設定 112
6.2 推進泵主要性能參數定義 113
6.3 空化水洞簡介 113
6.4 試驗內容及試驗流程 114
6.4.1 敞水性能試驗 114
6.4.2 勻流場空化斗試驗 115
6.4.3 LDV 試驗 116
6.4.4 高速攝影試驗 117
6.4.5 模型試驗工況匯總 117
6.5 數值模型及方法 118
6.5.1 控制方程 118
6.5.2 湍流模擬方法 119
6.5.3 空化模型 122
6.6 計算域及計算設置 123
6.7 網格劃分及網格無關性分析 124
6.7.1 網格劃分策略 124
6.7.2 無空化工況結果可靠性分析 126
6.7.3 空化工況結果可靠性分析 126
6.8 本章小結 129
第7章推進泵TLV空化非定常特性 131
7.1 推進泵空化工況的選取 132
7.2 典型空化工況下葉頂間隙空化時空演變特性 133
7.3 不同空化工況下推進泵外流場特性分析 135
7.4 不同空化工況下推進泵外特性分析 138
7.5 推進泵內空化體積及壓力脈動特性研究 141
7.6 本章小結 146
第8章推進泵TLV空化結構辨識及其演變特性 149
8.1 不同渦識別方法的簡介 150
8.1.1 **代渦識別方法 150
8.1.2 第二代渦識別方法 150
8.1.3 第三代渦識別方法 152
8.2 不同的渦識別方法對TLV 空化流動結構辨識的對比分析 153
8.2.1 Ω渦識別方法中ε的選取 153
8.2.2 不同渦識別方法的對比分析 155
8.3 基于Liutex 渦識別方法的TLV 空化流動宏觀演變行為分析 159
8.4 基于Liutex 渦識別方法的TLV 空化渦動力學特性分析 163
8.4.1 TLV 渦心位置的變化規律 163
8.4.2 TLV 半徑的變化規律 164
8.4.3 TLV 渦心處旋渦強度的變化規律 165
8.5 本章小結 165
第9章推進泵TLV空化動力學特性和湍動能輸運分析 167
9.1 坐標系的介紹 168
9.2 葉頂間隙空化對渦量分布的影響 168
9.2.1 葉頂間隙空化對軸向渦量分布的影響 168
9.2.2 葉頂間隙空化對周向渦量分布的影響 169
9.3 柱坐標系下的渦量輸運特性分析 170
9.3.1 柱坐標系下的渦量輸運方程 170
9.3.2 軸向渦量輸運特性分析 171
9.3.3 周向渦量輸運特性分析 175
9.4 葉頂間隙空化對湍動能分布的影響 179
9.5 柱坐標系下的湍動能輸運特性分析 181
9.5.1 柱坐標系下的湍動能輸運方程的推導 181
9.5.2 TLV 空化流場中無量綱湍流的應力分布特性 182
9.5.3 TLV 空化流動中湍動能輸運特性分析 186
9.6 本章小結 193
第10章推進泵TLV空化流場的不穩定及間隙損失 195
10.1 推進泵葉頂間隙空化流場的非定常波動特性 196
10.1.1 推進泵葉頂間隙空化流場波動分析 196
10.1.2 葉頂間隙空化流場中TLV 的破碎及不穩定性分析 203
10.2 推進泵TLV 空化的起始位置 209
10.3 不同空化工況下的推進泵葉頂間隙損失 212
10.3.1 推進泵葉頂間隙泄漏損失分析 212
10.3.2 推進泵葉頂間隙外的混摻損失分析 218
10.4 本章小結 223
參考文獻 225
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推進泵葉頂間隙空化水動力學 節選
**章 平直水翼試驗與數值模擬方法 長期以來，試驗研究一直是人們認識、了解空化流動現象的重要方法，能夠科學、客觀地反映試驗變量與因變量的關系，可靠性高，重復性好，因而通常是檢驗理論與數值模擬結果的基準。但是，試驗研究也往往存在試驗周期長、費用高昂、獲取數據有限等缺陷。隨著計算機技術的飛速發展，數值模擬方法在空化流動的研究中逐漸得到重視。相對試驗研究而言，數值模擬方法成本較低、周期短，可獲得大量的流場信息。但是數值模擬結果的精度高度依賴于數值模型的準確性，往往需要試驗數據對其進行校核。試驗觀測與數值計算作為空化流動研究中的兩種重要手段，高度互補。 為此，本書將綜合利用這兩種分析方法，結合空化流動理論，對葉頂間隙泄漏渦（tip-leakage vortex，TLV ）空化流動進行深入分析。本章將對研究中的水洞基本情況、試驗流程、數值計算所采用的數值方法、數值結果的可靠性等進行詳細的介紹。 1.1 NACA0009 水翼 本書采用的水翼為一個尾部截斷的NACA0009 水翼，見圖1-1。其名稱中的**位數字代表*大彎度占弦長的百分比，第二位數字代表*大彎度與水翼前緣的距離占弦長的十分之幾，后兩位數字則代表水翼*大厚度占弦長的百分比，四位數翼型默認*大厚度位于距前緣 30%弦長處。NACA0009 水翼為對稱翼型，因而前兩位數字為“00”，表明該水翼沒有彎度，后兩位數字“09”表明該翼型的*大厚度為弦長的9%。NACA0009 水翼的輪廓可由式（1-1 ）給出： （1-2） 圖1-1 NACA0009 水翼[1] 需要注意的是，在本書的研究中，該水翼在弦長C= 100 mm 處被截斷，見圖1-1，展長S為1.5C，*大厚度h約為0.1C。 1.2 試驗設備與方法 1.2.1 空化水洞簡介 本書中的TLV 空化機理試驗主要在瑞士洛桑聯邦理工學院的高性能空化水洞中進行。圖1-2 是該水洞的結構示意圖，主要包括測試段、循環泵、除氣管道及循環管道等。其中，測試段尺寸為150 mm×150 mm×750 mm（圖1-3），測試段流速*高可達50 m/s，*高可承受16 個大氣壓。得益于其良好的結構設計，測試段入口處的來流湍流度一般小于0.3%，是較為理想的TLV 空化機理試驗平臺。該水洞的主要參數見表1-1 。 圖1-2 水洞結構示意圖[1] 圖1-3 測試段結構示意圖[1] 表1-1 水洞的主要參數 為了便于調節葉頂間隙大小，該實驗室還特意設計了一種間隙大小調節裝置，見圖 1-4。該裝置主要由水翼安裝槽、滑塊絲桿機構、旋轉手柄及附屬固定支撐等部件組成。利用該裝置，可以在試驗中方便地使間隙大小在0～20 mm 內隨意改變。 圖1-4 間隙大小的調節裝置[1] 1.2.2 空化圖像采集裝置 1. 照相機與燈光布置 圖1-5 、圖1-6 分別為照相機、頻閃儀與水翼相對位置的示意圖及實物照片。本書試驗使用的照相機型號為Nikon D200 。照相機垂直于水洞的主流方向，其軸線經過水翼的中點。一只型號為DRELLOSCOP-2008-PHS 的頻閃儀從照相機的同側斜上方照射到水翼的葉片頂部，試驗中使用的頻閃儀頻率為20 Hz 。在TLV 空化發展過程中，由于空泡對光的散射，當光照射到空化區域時，該區域呈現高亮的白色；當光照射到無空化區域時，水洞的內壁面為黑色，該區域呈現黑色。 圖1-5 空化圖像采集裝置布置示意圖 圖1-6 空化圖像采集裝置布置實物圖 2. 誤差分析 根據試驗得到的圖像分析TLV 空化的長度、空化區域大小等信息，需要從圖中進行測距，檢測由拍攝視角引起的誤差esight 是否滿足精度要求，esight 的定義如下： （1-3） 其中，θhs 為50%的視角大小，即 （1-4） 式中：Ｗhs 為照相機拍攝區域對應的實際寬度；Lhs 為鏡距，即照相機與水翼頂部端面的距離。在本書的試驗中，照相機相對水翼的位置恒定，其大小為1.0 m ，拍攝區域對應的實際寬度Ｗhs 為0.2 m。由式（1-3）、式（1-4）可知，其誤差esight =1.97%，不足2%，誤差較小。因此，根據圖像獲得的TLV 空化長度、空化區域大小等參數是可靠的。 1.2.3 激光多普勒測速裝置 激光多普勒測速（laser Doppler velocimetry，LDV ）技術是一種利用激光的多普勒效應對流體或固體速度進行測量的技術。當流場中的示蹤粒子相對于激光光源發生相對運動時，從示蹤粒子表面散射回來的光的頻率與光源的頻率有所不同，即多普勒頻移。該頻移量的大小與示蹤粒子的速度、激光的入射方向和速度方向的夾角有關，通過監測該頻移量，可獲得示蹤粒子（即當地流場）的速度。圖1-7 為LDV 原理示意圖。LDV 技術具有精度高、響應快、測量范圍廣、空間分辨率高及非接觸測量等優點，是速度測量技術領域的重要發展方向，已經在空化流場的速度測量中得到了廣泛的應用。 圖1-7 LDV 原理示意圖 本書采用的是一種雙頻LDV 儀，其型號及主要技術參數見表1-2 ，其可分辨的*小位移距離和角度分別為0.01 mm 、0.001°。測量中使用的示蹤粒子為內部空心的玻璃球，其直徑為10 μm，密度為1 100 kg/m3。試驗中，LDV 儀被安裝在一個可在豎直平面內自由移動的支撐架上。通過傳動電機及其相應的控制軟件，可以讓LDV 儀按預設的測量點依次自動完成測量。 表1-2 LDV 儀的主要參數
推進泵葉頂間隙空化水動力學 作者簡介
季斌，男，江蘇鹽城，1982年10月生，博士，教授，博士生導師。主要從事水力機械/船舶海洋裝備空化水動力學應用基礎研究。主持國家自然科學基金5項(1項青年、3項面上、1項優青)，發表SCI論文90余篇，7篇論文入選ESI高被引論文，1篇論文被評為“2015年中國百篇具影響國際學術論文”，多篇論文獲J. Hydrodyn.高被引論文獎，獲省部級科技獎勵4項，2015年入選湖北省“楚天學者計劃”，2017年獲湖北省杰出青年基金，2018年獲周培源水動力學獎，入選愛思唯爾(Elsevier)中國高被引學者榜單(水利工程學科，2020年度)。
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