[01451464]含沙条件下水力机械空化流动机理研究

①课题来源与背景： 自然界中的河流或多或少均含有固体颗粒与悬浮泥沙,其对空化的影响亦不可忽略,因此以提水为目的的泵站和发电为目的的电站中运行的水力机械都面临着输送含沙水流时所造成的磨蚀和空蚀问题。含沙水流空化是复杂的多相流动,其流动机理复杂,常规的空化机理研究并不完全适用于含沙水流状态。因此,研究含沙水流状态下的空化与空蚀机理问题显得极为重要和迫切。 ②研究目的与意义：此前对于空化的研究主要基于单相、清水介质,而对含沙水流中的空化流动问题研究较少。开展含沙水流条件下水力机械内部空化流动机理的研究,可为水力机械的设计和空化控制提供理论支持,同时可拓展多相流研究的深度。 ③主要论点与论据：在清水介质空化流动研究的基础上,从固液两相和汽液两相流动理论出发,结合固液两相流动的研究成果,通过数值方法建立了汽固液多相耦合流动的理论模型,并发展了适用于含沙水流空化流动的非定常求解方法,其中包含考虑含沙量及颗粒直径影响的空化模型和湍流模型;研究了含沙水流空化状态下水力机械内部流动机理,得到了含沙量及颗粒粒径与水力机械外特性的对应关系;通过实验方法对提出的数值方法进行了验证;采用叶片表面加障碍物方法研究了含沙水流中水力机械空化的控制。 ④创见与创新：基于Mixture模型框架,采用RNG k-ε湍流模型、Schnerr＆Sauer空化模型,建立了含沙水流空化的数值计算方法,得出了沙粒粒径与含量对空化影响的规律及含沙量对离心泵空化性能的影响机理;针对复杂工况下离心泵的性能偏低的情况,基于CFD进行了以叶轮效率和空化性能最高为优化目标的优化设计研究,对叶轮进行了参数化设计,实现了叶轮几何形状的自动控制;通过在离心泵叶轮叶片表面布置障碍物,研究了水力机械叶片表面加障碍物方法抑制空化发生的可行性和效果,为水力机械空化控制提供了理论支持。 ⑤社会经济效益：本项目的研究结论和相关分析、研究方法可直接应用于相关企业产品的设计和运行过程当中,同时是对多相流特别是空化研究领域的有益补充。项目的进一步深入研究和推广可为国内水力机械产品的设计和运行提供有力支持,同时为形成具有自主知识产权的高性能抗空蚀和磨蚀离心泵、水轮机打下理论基础,推动我国水力机械行业的发展。 ⑥历年获奖情况：无获奖。