[發明專利]一種預測軸流泵葉片易空蝕區域的數值模擬方法

在審

• 申請號: 202211644105.1
• 申請日: 2022-12-20
• 公開（公告）號: CN115906515A
• 公開（公告）日: 2023-04-04
• 發明（設計）人: 耿琳琳;張睿杰;田中杰;方海淵;張德勝;蔣文軍
• 申請（專利權）人: 江蘇大學流體機械溫嶺研究院;江蘇大學;亞太泵閥有限公司
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F30/28;G06T17/00;G06F30/23;G06T17/20
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本發明公開一種預測軸流泵葉片易空蝕區域的數值模擬方法，包括以下步驟：采用三維造型軟件對軸流泵進行幾何與水體建模；采用網格劃分軟件對軸流泵水體進行空間網格離散；開展軸流泵空化流場數值計算同時導入采用基于能量傳遞方法構建的空蝕數值模型；分析葉輪葉片上的空蝕能量分布以獲悉葉片中易受空蝕影響的區域。該方法通過考慮將流場中的空蝕能量輻射到葉片表面從而在葉片上顯示出來源于整個流場的空蝕能量，實現了軸流泵內空蝕區域的準確預測，有助于在軸流泵設計階段對易空蝕區域進行針對性防護，從而提高軸流泵使用壽命及工作穩定性。同時，該空蝕預測方法也可擴展到離心泵，水輪機，螺旋槳等易受空蝕影響的水力機械中。

技術領域

本發明涉及流體機械空化空蝕數值模擬技術領域，特別涉及一種預測軸流泵葉片易空蝕區域的數值模擬方法。

背景技術

軸流泵具有大流量、低揚程、高效率等特點，廣泛應用于大型調水工程、核電工程、船舶噴水推進、潛艇發射裝置等國防裝備領域。軸流泵內部存在葉頂泄漏渦、回流漩渦、輪轂渦、葉道渦等復雜漩渦空化，且這幾種空化類型相互干涉，形成了軸流泵內部極其復雜的空化環境。因此長期以來，軸流泵在工作運行過程中常常伴隨著空化的侵擾。

而在空化所產生的眾多不利影響中，材料的空蝕損傷是最難以解決的問題：流體中靠近材料壁面的空泡在高壓驅動下，在局部區域瞬間潰滅，產生沖擊力極強的微射流和脈沖壓力波，其作用于材料表面產生高達幾十個大氣壓量級的局部表面應力，當該應力超越材料的塑形極限時，就會損害材料表面，形成如圖5右所示的空蝕麻點。而在水力機械中，當大量空泡或者空泡群的潰滅反復作用于材料表面，導致材料剝離，質量損失，疲勞失效甚至斷裂，造成水力機械性能進一步惡化，振動噪聲大幅增強，進而增加了水力機械維修成本及檢修頻率中空化現象不可避免，一直是影響水力機械多工況高效運行，造成振動、噪聲、空蝕損傷的直接因素。

因此，如何通過數值方法在設計階段預測水力機械的易空蝕區域，從而有效開展水力機械抗空蝕設計已經成為我國當前急需解決的關鍵技術問題。。

發明內容

針對軸流泵內復雜空化環境引起的葉片空蝕現象，本發明的目的是綜合考慮泵內全流場區域內空泡潰滅時產生的空蝕能量，并通過考慮能量輻射和能量衰減來預測全流場空蝕能量對軸流泵葉片的能量侵蝕，從而準確預測軸流泵葉片上空蝕區域分布。

為實現上述發明目的，本發明采用如下技術方案：

步驟一：采用三維幾何建模軟件根據軸流泵設計圖紙對軸流泵葉輪和導葉進行幾何建模與水體劃分，同時根據軸流泵的葉輪外徑D₁對軸流泵葉輪進口段進行延伸處理，進口段長度滿足L₁5D₁，相似的根據導葉外徑D₂將導葉出口段延長，延長距離滿足L₂5D₂。

步驟二：將三維軟件繪制的軸流泵各部件水體圖分別導入網格劃分軟件中，由于需要對軸流泵空化流進行高精度求解，因此采用高質量的結構網格劃分，并對葉輪計算域的葉頂區域進行網格加密。

步驟三：將劃分好的網格導入到計算軟件中，對整個計算域進行數值設置，包括材料屬性的定義，多相流模型與湍流模型的選擇，邊界條件的設置，動靜轉子交界面的設置，離散求解格式的控制等等。

步驟四：開展軸流泵空化流數值計算。在數值計算中，為數值模擬空化這一氣液兩相傳質現象，采用求解氣相輸運方程，并通過空化模型來定義輸運方程源項的方法，輸運方程如下：

其中，下標v表示氣相，α_v表氣相體積分數；ρ_v表示氣相密度，u為速度矢量，為由空化模型所定義的源項即氣液間質量傳輸速率。

基于步驟三的數值設置，插入以下空蝕數值模型計算算法：

流場中每個空泡所在網格單元所含的空泡能量密度可通過下式計算：