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叶顶间隙流动中的涡结构实验研究

空气动力学学报 2022年第1期40卷 57-64页

作者：刘玉文徐良浩张国平刘建华彭晓星中国船舶科学研究中心振动与噪声国家重点实验室无锡214082

叶顶间隙流动中的旋涡结构是引发导管桨、水轮机等水力机械叶顶间隙空化问题的主要因素之一。与常规船用螺旋桨(叶顶无端壁)上的梢涡流动不同,叶顶间隙流动受叶片载荷分布和间隙尺度(叶片梢部与端壁的距离)共同作用。为了研究叶顶间隙... 详细信息

叶顶间隙流动中的旋涡结构是引发导管桨、水轮机等水力机械叶顶间隙空化问题的主要因素之一。与常规船用螺旋桨(叶顶无端壁)上的梢涡流动不同,叶顶间隙流动受叶片载荷分布和间隙尺度(叶片梢部与端壁的距离)共同作用。为了研究叶顶间隙流动中的旋涡结构特性及其影响因素作用机理,本文采用二维NACA0024翼型在空泡机理水筒中,开展了基于旋涡空化观测的叶顶间隙流动显示实验和基于2D-3C PIV的叶顶间隙流场测量实验。通过空化观测实验,获得了叶顶间隙流动中的旋涡整体分布状态,以及间隙宽度、雷诺数和载荷系数等对旋涡强度的影响规律。通过流场测量实验,获得了局部全湿流场(无空化状态)中的旋涡分布规律以及其随不同影响因素的变化规律。结合流动显示实验和流场测量实验,研究了叶顶间隙流动中的旋涡结构形态以及形成机理,并初步阐明了间隙宽度、雷诺数和载荷系数对叶顶间隙流动旋涡强度的影响规律。研究表明,在NACA0024翼型叶顶间隙流动中存在两种主要稳定涡结构,分别是梢分离涡和梢泄涡;稳定涡结构是引起叶顶间隙流动空化的主要因素;翼型攻角和间隙宽度的大小是影响叶顶间隙流动中旋涡结构强度的主要因素。

关键词：间隙流动涡空化梢泄涡梢分离涡流动显示

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泵喷推进器间隙流动控制技术试验研究

中国舰船研究 2023年第1期18卷 141-151页

作者：韩蕊林余海廷华宏星李辉耀黄修长董小倩上海交通大学振动噪声冲击研究所机械系统与振动国家重点实验室上海200240 高新船舶与深海开发装备协同创新中心上海200240

[目的]旨在抑制转子叶梢间隙流动,解决其给泵喷推进器水动力性能和非定常激振力带来的问题。[方法]以某型前置定子式泵喷推进器为对象,采用环状柔性密封结构与转子端环配合的方法,研究其抑制转子叶梢的间隙流动的有效性。通过保持导管... 详细信息

[目的]旨在抑制转子叶梢间隙流动,解决其给泵喷推进器水动力性能和非定常激振力带来的问题。[方法]以某型前置定子式泵喷推进器为对象,采用环状柔性密封结构与转子端环配合的方法,研究其抑制转子叶梢的间隙流动的有效性。通过保持导管结构近似刚性固定,测得推进器转子的推力和扭矩,给出转子的敞水效率,在高功率频闪仪的辅助下,观察记录各设计工况下的空化初生点,计算绘制出推进器的空化初生特性曲线。针对有/无间隙的推进器模型,在空化/非空化状态下通过试验测得转子轴的振动加速度,以此评估间隙消除对轴系振动的影响。[结果]结果显示:带有柔性密封结构的泵喷推进器,其转子的推力和扭矩显著提升,也使得转子敞水效率在中低进速系数下得到显著提升,且在设计点附近基本保持不变,在较高进速系数下略有下降;在设计点附近一段很宽的进速系数(0.85间隙泵喷推进器的空化性能更优;与有间隙泵喷推进器相比,装有无间隙泵喷推进器的轴系,其轴向振动加速度幅值在大多数特征频率处都显著降低。[结论]研究结果表明,采用柔性密封结构来抑制叶顶间隙流动,对于提高中低进速系数下的转子敞水效率、优化设计点处的空化性能以及抑制推进器的轴系振动等具有积极作用。

关键词：泵喷推进器水动力性能间隙流动振动特性空化初生

不同轮缘结构无轴泵喷推进器间隙流动特性分析

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水动力学研究与进展（A辑） 2023年第3期38卷 472-481页

作者：阮华韩承灶石碧亮季斌洪方文中国船舶科学研究中心船舶振动噪声重点实验室、深海技术科学太湖实验室无锡214082 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室武汉430072

为研究无轴泵喷推进器轮缘间隙结构特征对推进器流动损耗影响,该文采用雷诺时均(RANS)方法对不同间隙结构的推进器内部流场进行计算。首先对基础无轴泵喷推进器构型水动力性能进行预报,通过与试验对比,验证了计算方法的可靠性。采用正... 详细信息

为研究无轴泵喷推进器轮缘间隙结构特征对推进器流动损耗影响,该文采用雷诺时均(RANS)方法对不同间隙结构的推进器内部流场进行计算。首先对基础无轴泵喷推进器构型水动力性能进行预报,通过与试验对比,验证了计算方法的可靠性。采用正交试验设计的方法,对轮缘间隙参数进行调整和修改,分析了不同间隙尺寸组合方案的间隙区域流动特征和损耗情况,并以此选择最佳搭配方案。并基于最佳间隙搭配方案,对间隙轮缘局部结构进行优化研究,以进一步改善流动损耗问题。结果表明,轮缘长度对于流动损耗影响最大,径向间隙次之,随后是轮缘外径、进流间隙以及出流间隙;对轮缘形状以及拐角区域进行优化,兼顾了推进效率和流动损耗,凸型倒角轮缘结构效果最佳。

关键词：无轴泵喷正交试验间隙流动局部结构优化

间隙流动对集成电机泵喷推进器水动力性能影响研究

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舰船科学技术 2022年第8期44卷 50-55,181页

作者：李俏广东理工学院智能制造学院广东肇庆526100

集成电机泵喷推进器在水下工作时,由于压差,当水流流过间隙流道时,会在间隙中产生摩擦功耗。为了更加准确地了解集成电机泵喷推进器的水动力性能,首先对轮缘摩擦扭矩的影响因素进行分析,确定不同影响因素的几何参数对轮缘摩擦扭矩的影... 详细信息

集成电机泵喷推进器在水下工作时,由于压差,当水流流过间隙流道时,会在间隙中产生摩擦功耗。为了更加准确地了解集成电机泵喷推进器的水动力性能,首先对轮缘摩擦扭矩的影响因素进行分析,确定不同影响因素的几何参数对轮缘摩擦扭矩的影响规律,计算结果与经验值吻合良好。基于此,分析有无间隙流动对推进器敞水性能的影响情况,进而分析在间隙流动状态下,不同间隙参数对推进器敞水性能的影响规律。结果表明,可通过减小轴向间隙等方法达到降低轮缘的摩擦扭矩,有无间隙流动时效率都随着转速的增加先减小再增大,有间隙模型时的效率总是大于无间隙模型。

关键词：集成电机泵喷推进器间隙流动摩擦扭矩湍流水动力性能

不同工况下无轴泵喷推进器间隙流动损耗特性数值分析

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水动力学研究与进展（A辑） 2022年第1期37卷 1-9页

作者：韩承灶阮华洪方文季斌武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室武汉430072 中国船舶科学研究中心船舶振动噪声重点实验室无锡214082

为研究无轴泵喷推进器间隙流动特性以及流动损耗机理,采用雷诺平均(RANS)方程对不同工况下无轴泵喷推进器周围流场进行数值模拟。该文首先进行了推进器水动力性能计算,通过与试验结果的比较,评估了湍流模型和网格数量对结果的影响。在... 详细信息

为研究无轴泵喷推进器间隙流动特性以及流动损耗机理,采用雷诺平均(RANS)方程对不同工况下无轴泵喷推进器周围流场进行数值模拟。该文首先进行了推进器水动力性能计算,通过与试验结果的比较,评估了湍流模型和网格数量对结果的影响。在此基础上,进一步采用柱坐标系下涡量输运方程和熵增理论,分析了不同工况下推进器间隙流动特征和能量损耗机理。结果表明,计算结果与试验吻合程度较高;进一步由涡量输运方程分析可得方程右侧其影响涡量输运的各项多集中于间隙及间隙进出口区域,其中黏性耗散项对间隙区涡量变化起到主要作用,加剧流动不稳定性;由熵增结果可知,间隙区域中由黏性耗散引起的功率损失占据主导地位,由湍流耗散产生的损失可以忽略不计;同时,间隙流出口区由于流体流动方向与主流方向垂直,二者相互碰撞的同时受到叶轮抽吸作用向下游运动,导致该区域流动较为复杂,流动损耗较大;且随着进速系数提高,由轮缘所引发的流动损耗对推进器水动力性能有一定影响。

关键词：无轴泵喷间隙流动涡量输运数值分析熵增理论

斜切式叶顶形状下非均等流量射流对叶顶间隙泄漏流动的影响

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动力工程学报 2023年第8期43卷 992-999页

作者：练智博杜雪霏许斌黄典贵上海理工大学能源与动力工程学院上海200093 上海市动力工程多相流动与传热重点实验室上海200093

采用非均等流量射流的控制方式,即叶顶射流孔流量沿轴向弦长方向呈二次曲线分布,通过数值模拟方法探究LISA涡轮在斜切式叶顶形状下非均等射流对叶顶间隙泄漏流动的影响。结果表明:与前缘至尾缘间隙由小到大相比,前缘至尾缘间隙由大到小... 详细信息

采用非均等流量射流的控制方式,即叶顶射流孔流量沿轴向弦长方向呈二次曲线分布,通过数值模拟方法探究LISA涡轮在斜切式叶顶形状下非均等射流对叶顶间隙泄漏流动的影响。结果表明:与前缘至尾缘间隙由小到大相比,前缘至尾缘间隙由大到小的叶顶形状下,非均等射流更有利于控制间隙流动,其相较于无射流下的涡轮等熵总总效率最大增幅可达2.20%,动叶出口质量平均总压损失系数最大降幅可达37.56%,间隙相对泄漏流量最大降幅可达48.57%;当射流比(总射流量占主流流量的比例)小于1.0%时,采用叶顶前缘单孔射流量大的分布方式,当射流比大于1.0%时,增加叶顶中部的单孔射流流量,这种非均等射流分布规律比均等射流控制效果更佳。

关键词：涡轮间隙流动非均等射流斜切式叶顶数值模拟

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间隙流动对混流式水轮机效率预测的影响

农业工程学报 2015年第5期31卷 53-58页

作者：冯建军罗兴锜吴广宽朱国俊西安理工大学水利水电学院西安710048

为了分析转轮间隙流动对混流式水轮机效率预测的影响,该文采用CFD数值模拟方法对含有转轮间隙的混流式水轮机内部流动特性进行研究,定量分析了转轮圆盘效率损失,并将CFD仿真结果和模型试验结果进行了对比。研究表明:考虑了转轮圆盘损失... 详细信息

为了分析转轮间隙流动对混流式水轮机效率预测的影响,该文采用CFD数值模拟方法对含有转轮间隙的混流式水轮机内部流动特性进行研究,定量分析了转轮圆盘效率损失,并将CFD仿真结果和模型试验结果进行了对比。研究表明:考虑了转轮圆盘损失后,在最优单位转速附近CFD计算得到的水轮机效率和模型试验结果吻合良好。当偏离最优工况点较远时,由于流场中存在脱流和涡流,CFD计算得到的效率较试验值偏低。转轮下环表面造成的圆盘效率损失远高于上冠表面,且转轮内外圆盘损失基本相当。在同一水头下,通过转轮间隙的泄漏流量基本为常数。此外,"动静干涉"现象对圆盘损失的影响基本可以忽略不计。该研究结果可为混流式水轮机圆盘损失的预估提供有效的参考。

关键词：水轮机液体流动效率间隙流动圆盘损失混流式

C型槽对NACA0009水翼间隙流动影响研究

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C型槽对NACA0009水翼间隙流动影响研究

作者：王浩洋西安理工大学

学位级别：硕士

叶轮间隙广泛存在于流体机械的转轮室内部,由于高速旋转的叶片两侧压差巨大,在压力的作用下流体通过小尺度的间隙易产生激流,从而引起间隙涡的产生,其存在会严重影响转轮室内部流态,若涡流的流速过快还易导致在靠近叶片表面位置发生空... 详细信息

叶轮间隙广泛存在于流体机械的转轮室内部,由于高速旋转的叶片两侧压差巨大,在压力的作用下流体通过小尺度的间隙易产生激流,从而引起间隙涡的产生,其存在会严重影响转轮室内部流态,若涡流的流速过快还易导致在靠近叶片表面位置发生空化效应,严重影响流体机械的稳定运行,降低流体机械运行效率,因此对间隙泄漏涡及其抑制方法进行研究是十分必要的。本文使用数值模拟及多目标优化算法等方法,对一种间隙位置开C型槽的被动控制方法进行了探究,对设置槽前后流场特性及影响进行了研究,具体工作如下:(1)在保证具有相同的翼型参数和边界条件的前提下,对不同开槽数量下的C型槽翼型流场特征进行数值模拟,其中选取了曲率修正的SST湍流模型以提高计算精度。根据研究发现泄漏涡的强度在其初生位置具有最大强度,在翼型前缘位置具有较高流速。C型槽的设置改变了间隙流态,一方面翼型前缘即泄漏涡初生位置的流速明显降低,泄漏涡初生强度受C型槽影响明显降低,另一方面其槽内部衍生出新的涡流,即槽泄漏涡,槽泄漏涡在其并入主涡阶段具有较高的强度,在一定程度上减弱了主泄漏涡的强度。且设置多个C型槽会显著增加槽泄漏涡的强度,且改变其产生位置,从而实现较优的涡抑制效果。(2)基于以上对槽数的影响研究,结合已有研究,设计正交实验,对槽数、槽深、槽宽及内侧面的偏斜四个因素进行对翼型性能及涡抑制效果的敏感性分析,使用标准正交表L9(43)进行正交实验设计,对以上四个因素均匀取三种水平,使用极差分析法进行研究。经分析发现,槽深对翼型升阻力及涡等值面都具有较大极差,其中偏斜角度对升力具有最大极差,因此槽的深度对翼型性能及C型槽涡抑制效果具有较大影响。(3)扩大样本量,使用以上四种参数构建翼型升阻比与涡等值面的二阶回归模型,使用响应曲面法进行参数组合设计,对结果进行方差分析,选取其中主要影响因素构建回归模型;使用多目标优化算法对回归模型进行求解得到优化C型槽参数组合,从而实现最佳的升阻比和涡抑制效果。选取优化参数组合进行数值计算,均具有较优的升阻比及涡抑制效果,且回归模型预测误差位于合理水平。

关键词：间隙流动泄漏涡抑制 NACA0009水翼 C型槽

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一种叶顶叶栅结构对压气机间隙流动的影响

航空动力学报 2016年第7期31卷 1712-1718页

作者：陈一王建明马驰陈超申振华沈阳航空航天大学航空航天工程学部辽宁省航空推进系统先进测试技术重点实验室沈阳110136

为减小压气机间隙流动带来的流动损失,提出了一种新的叶顶结构,即在常规叶片叶顶上构造出由数个小叶片组成的叶栅.通过对具有该结构叶片的三维流场进行数值模拟,分析了端壁移动对压气机间隙流场的影响.结果表明:该结构明显改善了叶顶附... 详细信息

为减小压气机间隙流动带来的流动损失,提出了一种新的叶顶结构,即在常规叶片叶顶上构造出由数个小叶片组成的叶栅.通过对具有该结构叶片的三维流场进行数值模拟,分析了端壁移动对压气机间隙流场的影响.结果表明:该结构明显改善了叶顶附近的流动状况,从泄压和导流两方面抑制了叶顶附近流体从压力面向吸力面的泄漏,有效削弱泄漏涡的强度,进而减小泄漏涡扩散带来的损失,提高了压气机气动性能,相比常规叶片叶栅出口总压损失系数减小达1.158%.

关键词：压气机移动端壁间隙流动叶栅流动流动损失