一种预测轴流泵叶片易空蚀区域的数值模拟方法技术

本发明专利技术公开一种预测轴流泵叶片易空蚀区域的数值模拟方法，包括以下步骤：采用三维造型软件对轴流泵进行几何与水体建模；采用网格划分软件对轴流泵水体进行空间网格离散；开展轴流泵空化流场数值计算同时导入采用基于能量传递方法构建的空蚀数值模型；分析叶轮叶片上的空蚀能量分布以获悉叶片中易受空蚀影响的区域。该方法通过考虑将流场中的空蚀能量辐射到叶片表面从而在叶片上显示出来源于整个流场的空蚀能量，实现了轴流泵内空蚀区域的准确预测，有助于在轴流泵设计阶段对易空蚀区域进行针对性防护，从而提高轴流泵使用寿命及工作稳定性。同时，该空蚀预测方法也可扩展到离心泵，水轮机，螺旋桨等易受空蚀影响的水力机械中。械中。械中。

【技术实现步骤摘要】
一种预测轴流泵叶片易空蚀区域的数值模拟方法


[0001]本专利技术涉及流体机械空化空蚀数值模拟
，特别涉及一种预测轴流泵叶片易空蚀区域的数值模拟方法。

技术介绍

[0002]轴流泵具有大流量、低扬程、高效率等特点，广泛应用于大型调水工程、核电工程、船舶喷水推进、潜艇发射装置等国防装备领域。轴流泵内部存在叶顶泄漏涡、回流漩涡、轮毂涡、叶道涡等复杂漩涡空化，且这几种空化类型相互干涉，形成了轴流泵内部极其复杂的空化环境。因此长期以来，轴流泵在工作运行过程中常常伴随着空化的侵扰。
[0003]而在空化所产生的众多不利影响中，材料的空蚀损伤是最难以解决的问题：流体中靠近材料壁面的空泡在高压驱动下，在局部区域瞬间溃灭，产生冲击力极强的微射流和脉冲压力波，其作用于材料表面产生高达几十个大气压量级的局部表面应力，当该应力超越材料的塑形极限时，就会损害材料表面，形成如图5右所示的空蚀麻点。而在水力机械中，当大量空泡或者空泡群的溃灭反复作用于材料表面，导致材料剥离，质量损失，疲劳失效甚至断裂，造成水力机械性能进一步恶化，振动噪声大幅增强，进而增加了水力机械维修成本及检修频率中空化现象不可避免，一直是影响水力机械多工况高效运行，造成振动、噪声、空蚀损伤的直接因素。
[0004]因此，如何通过数值方法在设计阶段预测水力机械的易空蚀区域，从而有效开展水力机械抗空蚀设计已经成为我国当前急需解决的关键技术问题。。

技术实现思路

[0005]针对轴流泵内复杂空化环境引起的叶片空蚀现象，本专利技术的目的是综合考虑泵内全流场区域内空泡溃灭时产生的空蚀能量，并通过考虑能量辐射和能量衰减来预测全流场空蚀能量对轴流泵叶片的能量侵蚀，从而准确预测轴流泵叶片上空蚀区域分布。
[0006]为实现上述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]步骤一：采用三维几何建模软件根据轴流泵设计图纸对轴流泵叶轮和导叶进行几何建模与水体划分，同时根据轴流泵的叶轮外径D1对轴流泵叶轮进口段进行延伸处理，进口段长度满足L1>5D1，相似的根据导叶外径D2将导叶出口段延长，延长距离满足L2>5D2。
[0008]步骤二：将三维软件绘制的轴流泵各部件水体图分别导入网格划分软件中，由于需要对轴流泵空化流进行高精度求解，因此采用高质量的结构网格划分，并对叶轮计算域的叶顶区域进行网格加密。
[0009]步骤三：将划分好的网格导入到计算软件中，对整个计算域进行数值设置，包括材料属性的定义，多相流模型与湍流模型的选择，边界条件的设置，动静转子交界面的设置，离散求解格式的控制等等。
[0010]步骤四：开展轴流泵空化流数值计算。在数值计算中，为数值模拟空化这一气液两相传质现象，采用求解气相输运方程，并通过空化模型来定义输运方程源项的方法，输运方
程如下：
[0011][0012]其中，下标v表示气相，α
v
表气相体积分数；ρ
v
表示气相密度，u为速度矢量，为由空化模型所定义的源项即气液间质量传输速率。
[0013]基于步骤三的数值设置，插入以下空蚀数值模型计算算法：
[0014]流场中每个空泡所在网格单元所含的空泡能量密度可通过下式计算：
[0015][0016]其中，为气相体积分数的质点倒数，其可通过公式一推导为如下计算：
[0017][0018]进而，结合式公式二和公式三可得流场中的空蚀能量密度：
[0019][0020]根据公式四可得流场中每一个网格点上的空蚀能量则该能量将以一个球形波的形式进行辐射，且辐射的过程中能量的衰减与辐射距离成反比。基于以上理论，构建出能量辐射与衰减模型。假设在流场网格x
i
中的能量为则该网格的能量辐射至壁面网格x
j
时，壁面x
j
所承受的来自网格x
i
的能量为：
[0021][0022]根据公式五则壁面网格x
j
承受的来自所有流场网格的累加能量为：
[0023][0024]则根据公式六就可得出壁面每个网格上所承受的来自于全流场区域的空蚀能量，进而显示出壁面区域的空蚀能量分布。
[0025]步骤五：对步骤四计算的数值结果进行分析，获取轴流泵叶片上的空蚀能量分布云图，进而确定出含有较高空蚀能量存在的区域，标记为该工况下轴流泵易空蚀区域。
[0026]本专利技术具有以下有益效果：本专利技术通过考虑叶轮全流场区域的空化现象，并将空泡溃灭时的能量通过模型转化为空蚀能量，同时考虑了该能量在辐射至叶片表面时的能量衰减过程，从而将整个流场中的空蚀能量映射在叶片壁面，进而准确预测出叶片上的空蚀能量分布，反映出叶轮叶片最容易受到空蚀侵害的区域。根据该预测方法，可在叶轮叶片设计阶段，对轴流泵易受空蚀侵害区域进行针对性防护，从而保障轴流泵更加稳定可靠的运
行。此外，该预测方法也可应用于离心泵，水轮机，螺旋桨等流体机械中，为各种流体机械的抗空蚀优化设计提供数值预测模型。
附图说明
[0027]图1为本专利技术实施例提供的一种预测轴流泵叶片易空蚀区域的数值模拟方法的流程图；
[0028]图2为本专利技术实施例提供的考虑将全流场空蚀能量辐射衰减至材料表面的模型示意图；
[0029]图3为本专利技术实施例提供的轴流泵三维结构示意图；
[0030]图4为本专利技术实施例提供的轴流泵叶轮水体的网格划分图；
[0031]图5为本专利技术实施例提供的预测出的轴流泵叶片空蚀强度分布图及试验结果。
具体实施方式
[0032]下面将结合附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0033]实施例：
[0034]请参阅图1，一种预测轴流泵叶片易空蚀区域的数值模拟方法，主要包含以下步骤：
[0035]步骤一：请参阅图3，采用三维几何造型软件(UG,Solidworks,Creo等)对轴流泵进行几何造型和水体划分，同时对于叶轮进口和导叶出口做延长处理。
[0036]步骤二：请参阅图4，将三维几何分别导入网格划分软件(ICEM,Turbogrid,Meshing等)中，通过分块的方法对于轴流泵各部件进行高质量六面体网格划分，在材料壁面区域应做适当的网格加密，且为捕捉叶顶区空化结构，须在叶顶区布置很多层网格。
[0037]步骤三：开展轴流泵空化流数值计算前处理设置，将划分好的网格导入到计算软件中，对整个计算域进行数值设置，包括材料属性的定义，多相流模型与湍流模型的选择，边界条件的设置，动静转子交界面的设置，离散求解格式的控制等等。
[0038]步骤四：开展轴流泵空化流数值计算。在该计算中空化两相流的计算模型的选择尤为重要。本实施例中选择均相流模型进行数值计算。该模型为数值模拟空化这一气液两相传质现象，一般采用求解气相输运方程，并通过空化模型来定义输运方程源项的方法，一般输运方程如下：
[0039][0040]其中，下标v表示气相本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种预测轴流泵叶片易空蚀区域的数值模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：对轴流泵三维几何造型；将轴流泵各部件的三维几何造型进行结构网格划分，并在靠近叶片壁面及叶顶区域进行网格加密；将划分好的网格导入计算软件中，并进行模型选择和计算设置；在完成模型选择和计算设置后，进行轴流泵空化计算和空蚀计算模型植入；对计算结果分析，获取轴流泵叶片空蚀强度分布与空蚀区域标记。2.根据权利要求1所述的预测轴流泵叶片易空蚀区域的数值模拟方法，其特征在于，对轴流泵三维几何造型包括：根据轴流泵叶轮和导叶设计图纸进行三维几何造型及水体划分，同时对泵叶轮进口和导叶出口做延长处理。3.根据权利要求1所述的预测轴流泵叶片易空蚀区域的数值模拟方法，其特征在于，将划分好的网格导入计算软件中，并进行模型选择和计算设置包括：将划分好的网格导入到计算软件中，对整个计算域进行数值设置；数值设置包括材料属性的定义，多相流模型与湍流模型的选择，边界条件的设置，动静转子交界面的设置，离散求解格式的控制。4.根据权利要求1所述的预测轴流泵叶片易空蚀区域的数值模拟方法，其特征在于，轴流泵空化计算包括：在数值计算中，为数值模拟空化这一气液两相传质现象，采用求解气相输运方程，并通过空化模型来定义输运方程源项的方法，输运方程如下：其中，下标v表示气相，α
v
表气相体积...

【专利技术属性】
技术研发人员：耿琳琳，张睿杰，田中杰，方海渊，张德胜，蒋文军，
申请(专利权)人：江苏大学亚太泵阀有限公司，
类型：发明
国别省市：