CN108457912B - 一种有效抑制叶片表面空化的射流装置及设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于应用于水力机械设计领域，一种有效抑制叶片表面空化的射流装置及设计方法。泵通过金属管与三通阀连接，利用三通阀调节各个工况射流流量，通过流量计来观察各个工况射流流量的变化；所述的泵置于水槽中；经过三通阀通过PVC管连接流量计，流量计通过PVC管连接弯头入口，弯头出口连接叶片空腔连接管，叶片空腔连接管连通叶片空腔；叶片表面布置有射流孔。本发明的抑制空化，与叶片表面无射流相比，在叶片表面有射流的情况下空化长度和空化穴的厚度明显降低。阻挡回射流，射流产生装置在叶片表面所形成的射流能够阻挡叶片尾缘形成的回射流，抑制空化穴的脱落、溃灭。
Description
技术领域
本发明涉及水力机械设计领域的一种装置，其中涉及到水力机械中一种有效抑制叶片表面空化的射流装置及设计方法。
背景技术
空化引起不同程度振动、冲击和噪声，加剧物体表面空蚀，使结构提早发生疲劳。为了避免这种对水力设备危害的现象，需要将各种主动和被动控制方法应用到水力设备中有效抑制空化初生和空泡脱落，在一定程度上减少空化过程中空泡溃灭，降低由空化所引起的水利设备振动和噪声。
大多数水力机械叶片表面空化实验主要是基于空化流动机理和各种空化形态变化过程的机理以及叶片表面特性对各种空化形态的影响的研究。现在需要发明一种能有效控制空化流的装置，这样能进一步改善和优化水力机械设备的设计与运行。空化过程控制对于阻止空化的发展和降低空化的不利影响都是重要的，空化初生和空化发展的控制有主动和被动两种控制方法，目前基于不同基本原则的几种主动控制方法中，主要的就是超声控制和电离控制，以及在物体表面设置障碍物改变水力机械叶片表面流动特性来控制空化的初生和发展。在水力机械叶片表面开孔产生射流对空化进行控制的研究主要是处于数值模拟阶段，实验研究还很少进行。
为了对已经进行了的数值模拟结果有效性的验证，对于能有效控制空化的方法的实验验证，必须设计一种对应于数值模拟中产生适当射流流速和流量的系统来控制射流以达到验证所进行的研究方法的正确性。
发明内容
本发明是应用于水力机械叶片表面的射流产生系统设计领域，针对解决水洞空化实验中产生射流所带来的问题，提出一种满足水力机械叶片表面需求的射流产生系统。本设计是通过利用泵产生抽力将流体注入到叶片的开槽腔室中再经由叶片射流孔射出，形成满足空化抑制需求的具有一定刚度和动量的射流。
本发明的技术方案：
一种有效抑制叶片表面空化的射流装置及设计方法，包括泵1、三通阀2、流量计3、PVC管4、弯头5、叶片空腔连接管6、叶片7、水槽8、射流孔9、叶片空腔10和金属管道11；
所述的泵1是射流装置产生动力的部分，泵1通过金属管道11与三通阀2连接，利用三通阀2调节流量，通过流量计来观察各个工况射流流量的变化；所述的泵1置于水槽8中；经过三通阀2通过PVC管4连接流量计3，流量计3通过PVC管4连接弯头5入口，弯头5出口连接叶片空腔连接管6，叶片空腔连接管6连通叶片空腔10；叶片空腔10上设有射流孔9；流体依次经过泵1、金属管道11、三通阀2、PVC管4、流量计3、PVC管4、弯头5、金属管道11和叶片空腔连接管6后进入叶片空腔10，通过射流孔9形成射流由叶片表面喷出。
水力机械叶片表面射流孔分布于叶片的吸力面上，将通过叶片内部空腔输送来的流体喷入流场，根据空化流场特性分析结果，叶片表面射流孔设置在距叶片前缘0.20C-0.85C之间，其中C为叶片弦长；叶片表面射流孔的宽度或直径为0.02C-0.08C；叶片表面射流孔的分布方式是单排或多排，形式是长条形的槽道规律排列的圆孔或其他形式；射流方向与该位置叶片表面切线方向夹角为5°-155°；流体从叶片表面射流孔中喷出的速度为主流速度的5％-100％。
包括以下步骤：
步骤1、根据水力机械叶片结构和射流产生装置结构的要求，确定系统管路和各部件的安装方式，组装射流产生装置；
步骤2、对步骤1组装得到的射流装置在计算流体力学软件条件下建立三维模型，通过实验验证模拟结果，将利用流体力学相关软件对实验数据进行处理并把所得结果与计算流体力学方法对三维模型模拟分析结果进行对比，比较实验和数值模拟中流体在系统流动过程中的具体状态、边界层以及流体在叶片空腔的流动状态和射流在射流孔出口的流动特征的异同，采用更加适当的数值模拟方法对其进行分析，使数值模拟结果与实验结果更加接近，从而使流体在系统中的流动特性和叶片表面的空化流场特性更加真实。
步骤3、通过步骤2中试验和模拟两种手段对流体在系统流动过程中的具体状态、边界层以及流体在叶片空腔的流动状态和射流在射流孔出口的流动特征异同的比较，使流体在系统中的流动特性和叶片吸力面上方的空化流场特性更加优化；根据流体在系统中的流动特性和空化流场特性，通过适当修改管路系统中各部件连接方式以及叶片内部空腔结构和叶片表面特性来适应流体在叶片表面的流动特性，进而可以有效的抑制叶片表面空化。
本发明的有益成果：
(1)抑制片状空化。与叶片表面无射流相比，在叶片表面有射流的情况下片状空化长度和空化穴的厚度明显降低；
(2)阻挡回射流。射流产生装置在叶片表面所形成的射流能够阻挡叶片尾缘形成的回射流，抑制附着型空化穴的脱落、溃灭。
附图说明
图1是一种抑制空化的特殊叶片结构示意图。
图中：1泵；2三通阀；3流量计；4PVC管；5弯头；6叶片空腔连接管；7叶片；8水槽；9射流孔；10叶片空腔；11金属管道。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明是一种有效抑制叶片表面空化的射流装置及设计方法，主要由泵1、三通阀2、流量计3、PVC管4、弯头5、叶片空腔连接管6、叶片7、水槽8、射流孔9、叶片空腔10、金属管道11组成；
(1)根据设计的需要，选择泵的流量为2800L/h，整个管路中各个接口直径为20cm，PVC管和金属管直径也是20cm；原始水力机械叶片7结构为NACA66(MOD)翼型，叶片迎流角为8°，来流速度为11.83m/s，来流压力101.325kPa，温度为20℃，工质为水，此时的空化数为0.99。
(2)针对设计中泵管路系统连接未布置叶片表面射流孔的NACA66(MOD)翼型，通过整个管路系统物理和数学建模，运用计算流体力学相关软件对其进行数值计算分析，并通过实验对数值计算结果进行验证，开展系统管路流体流场和空化流场的数值分析和实验分析，取得管路中流场流动状态和空化发生发展的具体状态，以及边界层、回射流的流动特征。模拟和实验结果发现由回射流造成空泡脱离，极大地影响流场的稳定流动，需要在叶片表面设置射流水孔。
(3)根据上述管路中流体流场和空化流场特性分析结果，基于通过泵、三通阀、流量计控制叶片表面流体流动形式，设计叶片内部空腔10的位置，空腔起始于15％弦长，末端位于85％弦长、结构为无加强筋的空腔结构，空腔内壁到叶片7表面的垂直距离基本相等；叶片表面水孔9的位置、水孔的形状、流体从叶片表面射流孔喷出角度和速度等参数。叶片表面射流孔9设置在叶片弦长的19％～59％之间，形式为沿叶片展向直径为1.4mm一排或多排圆孔，每排孔的孔隙率为45％；流体由流量计出口经弯头进入叶片连接杆内部管道，再进入叶片内部空腔，并从叶片表面射流孔9中喷出，流体垂直于叶片表面喷出，与该位置叶片表面切线方向的夹角为90°。
(4)建立射流产生系统各部件之间安装和整体结构模型和叶片表面的流动设计结构模型，并考察该设计结构对于减少空化发生和发展的显著效果。结果发现叶片7表面的空泡区与未设置叶片表面射流孔9相比有了明显的缩小，空泡体长度明显缩短，空泡体的脱落、溃灭受到了明显的抑制。表明这种设计对空化的发生和发展有良好的抑制作用。
Claims (1)
1.一种有效抑制叶片表面空化的射流装置的设计方法，所述的射流装置包括泵(1)、三通阀(2)、流量计(3)、PVC管(4)、弯头(5)、叶片空腔连接管(6)、叶片(7)、水槽(8)、射流孔(9)、叶片空腔(10)和金属管(11)；
所述的泵(1)是射流装置产生动力的部分，泵(1)通过金属管(11)与三通阀(2)连接，利用三通阀(2)调节流量，通过流量计(3)来观察各个工况射流流量的变化；所述的泵(1)置于水槽(8)中；流体经过三通阀(2)后通过PVC管(4)连接流量计(3)，流量计(3)通过PVC管(4)连接弯头(5)入口，弯头(5)出口连接叶片空腔连接管(6)，叶片空腔连接管(6)连通叶片空腔(10)；叶片空腔(10)上设有射流孔(9)；流体依次经过泵(1)、金属管(11)、三通阀(2)、PVC管(4)、流量计(3)、PVC管(4)、弯头(5)、金属管(11)和叶片空腔连接管(6)后进入叶片空腔(10)，通过射流孔(9)形成射流由叶片表面喷出；
水力机械叶片表面射流孔分布于叶片的吸力面上，将通过叶片空腔输送来的流体喷入流场，根据空化流场特性分析结果，叶片表面射流孔设置在距叶片前缘0.20C-0.85C之间，其中C为叶片弦长；叶片表面射流孔的宽度或直径为0.02C-0.08C；叶片表面射流孔的分布方式是单排或多排，形式是长条形的槽道规律排列的圆孔；射流方向与该位置叶片表面切线方向夹角为5º-155º；流体从叶片表面射流孔中喷出的速度为主流速度的5%-100%；
其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、根据水力机械叶片结构和射流产生装置结构的要求，确定系统管路和各部件的安装方式，组装射流产生装置；
步骤2、对步骤1组装得到的射流装置建立三维模型，通过实验验证模拟结果，将利用流体力学相关软件对实验数据进行处理并把所得结果与计算流体力学方法对三维模型模拟分析结果进行对比，比较实验和数值模拟中流体在系统流动过程中的具体状态、边界层以及流体在叶片空腔的流动状态和射流在射流孔出口的流动特征的异同，采用更加适当的数值模拟方法对其进行分析，使数值模拟结果与实验结果更加接近，从而使流体在系统中的流动特性和叶片表面的空化流场特性更加真实；
步骤3、通过步骤2中实验和模拟两种手段对流体在系统流动过程中的具体状态、边界层以及流体在叶片空腔的流动状态和射流在射流孔出口的流动特征异同的比较，使流体在系统中的流动特性和叶片的空化流场特性更加优化；根据流体在系统中的流动特性和空化流场特性，通过适当修改管路系统中各部件连接方式以及叶片空腔结构和叶片表面特性来适应流体在叶片表面的流动特性，进而可以有效的抑制叶片表面空化。
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| 水翼表面布置射流水孔抑制空化;王巍等;《排灌机械工程学报》;20161008;第34卷(第10期);第872页第1段至第877页尾段、附图1 * |
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