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水力機(jī)械兩相流綜述-文庫(kù)吧

2026-05-27 11:57 本頁(yè)面

【正文】徑上的粘性、表面張力、慣性的相互關(guān)系。但由于處理移動(dòng)界面的困難,使得早期尋求空泡潰滅的解析解研究進(jìn)展不大。后來(lái)人們對(duì)空泡潰滅研究逐漸深入,但是很大程度上仍然局限于Rayleigh方程或在無(wú)粘流場(chǎng)中求解,這顯然離解決實(shí)際問(wèn)題還有一定的差距。20世紀(jì)20年代，空化空蝕現(xiàn)象作為一個(gè)專(zhuān)題才開(kāi)始進(jìn)行研究。關(guān)于空化產(chǎn)生機(jī)理,由于液體結(jié)構(gòu)還不十分清楚,目前尚無(wú)明顯的理論說(shuō)明。有些學(xué)者提出過(guò)某些假設(shè)，比較能為人們接受的是哈維的穩(wěn)定空泡核子機(jī)理假說(shuō)。哈維認(rèn)為：未溶解的氣核可存在于憎水性的固體縫隙中，因?yàn)樵谶@樣的情況下，表面張力將起著減小壓力的作用。因而氣體并不是被迫溶解,而可能還保持氣相狀態(tài)。國(guó)內(nèi)外目前重要的空化剝蝕機(jī)理主要有下述兩種空泡潰滅沖擊壓力波論：認(rèn)為空蝕的破壞是由于球形或半球形空泡潰滅的機(jī)械作用產(chǎn)生強(qiáng)烈的水錘作用液體直接沖擊到固體界面而造成的，據(jù)水錘公式計(jì)算，～570Pa。這樣大的應(yīng)力頻繁作用，足以引起材料表面局部塑性變形與硬化、變脆，產(chǎn)生疲勞，進(jìn)而使材料破裂與剝落。微射流論：認(rèn)為空蝕破壞是由空泡或空穴潰滅過(guò)程液體的微型射流造成的。該理論基于靜水中正在潰滅的空泡照片表明潰滅時(shí)空泡發(fā)生變形，這些變形隨壓力梯度及靠近邊界面而增大，并認(rèn)為這種變形促成了流速很大的的微型液體射流，流速計(jì)算表明射流速度可達(dá)100～1000m/s，壓力達(dá)2Pa，壓力的持續(xù)時(shí)間為。這足以對(duì)固體表面材料造成巨大的破壞。空化按空泡存在形式和產(chǎn)生原因分為以下四類(lèi)1）游移空化。游移型空化是由在液體中移動(dòng)的孤立的瞬態(tài)空泡或空泡群組成的空化現(xiàn)象。2）漩渦空化。流體通過(guò)渦流裝置時(shí)沿切向狹縫進(jìn)入渦流空化艙，形成一定角度和速度的射流，切向射流在艙中形成渦流。渦流中心的壓力很低,在一定條件下，這個(gè)壓力遠(yuǎn)小于液體的蒸汽壓，空化氣泡就在這個(gè)區(qū)域形成。當(dāng)空化氣泡隨液流流出渦流艙時(shí)，由于受阻、壓力突然升高，導(dǎo)致空化氣泡急劇破裂，產(chǎn)生空化效應(yīng)。可進(jìn)一步降低操作壓力，反應(yīng)過(guò)程可以在常壓下進(jìn)行。3）固定空化。這是一種相對(duì)穩(wěn)定的空化形式，空化初生后形成附著在邊界上的空腔，這種空腔稱(chēng)為固定型空泡。這種空泡的大小與繞流物體的幾何形狀、表面粗糙度、液體的物理性質(zhì)及流場(chǎng)中的壓力和速度分布有關(guān)。4）振動(dòng)空化。液體中的固體邊界的機(jī)械振動(dòng)將激發(fā)相鄰的液體產(chǎn)生壓力脈動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)幅值足夠大時(shí)就使液體發(fā)生空化、這種空化的特點(diǎn)是發(fā)生空化的液體是靜止的，對(duì)材料的有較大的破壞作用。水輪機(jī)中的空化類(lèi)型根據(jù)空化發(fā)生的部位將水輪機(jī)空化分為以下四種基本類(lèi)型1）翼型空化空蝕。這種空化空蝕破壞主要發(fā)生在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片上，當(dāng)轉(zhuǎn)輪葉片上某點(diǎn)壓力下降到當(dāng)時(shí)液體溫度下的汽化壓力時(shí)，將在葉片上產(chǎn)生翼型空化和空蝕，這是水輪機(jī)的主要空化形式。2）間隙空化空蝕。間隙空化空蝕是當(dāng)液流通過(guò)狹小通道或間隙時(shí)引起局部流速升高。壓力下降到當(dāng)時(shí)液體溫度下的汽化壓力時(shí)而形成的。軸流轉(zhuǎn)漿式葉片外緣與轉(zhuǎn)輪室之間及葉片根部與輪轂之間的間隙空化屬于這種類(lèi)型3）空腔空化空蝕。水輪機(jī)在某些偏離工況運(yùn)行時(shí)在轉(zhuǎn)輪出口和尾水管內(nèi)會(huì)發(fā)生一個(gè)或兩個(gè)漩渦帶。渦帶是中間含有蒸汽和其他氣體的大空腔，空腔內(nèi)壓力很低，呈螺旋狀非軸對(duì)稱(chēng)地在尾水管內(nèi)旋轉(zhuǎn)，使壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)也發(fā)生周期性變化。引起機(jī)組振動(dòng)和噪聲，使機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定，并在尾水管進(jìn)口段邊壁形成空蝕破壞。4）局部空化空蝕。局部空化空蝕主要是由于鑄造和加工缺陷形成的表面不平整、砂眼等引起局部流態(tài)突變而造成的。效率、空化性能和穩(wěn)定性是影響水力機(jī)組性能的三項(xiàng)指標(biāo)，其中空化性能是一個(gè)古老卻至今未被解決的難點(diǎn)課題之一。目前對(duì)空化流動(dòng)的研究主要采用空化實(shí)驗(yàn)和數(shù)值預(yù)測(cè)兩種方法。人們對(duì)空化進(jìn)行了了大量的研究，其試驗(yàn)研究方法主要有模型水輪機(jī)的性能試驗(yàn)，原型水輪機(jī)的空化狀態(tài)監(jiān)測(cè)和空化流場(chǎng)的測(cè)量。在空化試驗(yàn)中應(yīng)用高速攝影技術(shù)來(lái)觀察空化的發(fā)生過(guò)程。空化實(shí)驗(yàn)的費(fèi)用高，而且對(duì)于大型機(jī)組的空化性能實(shí)驗(yàn)，由于空化現(xiàn)象的比尺效應(yīng)及眾多因素的影響在實(shí)驗(yàn)中尚無(wú)法有效地控制，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果難以準(zhǔn)確的反應(yīng)真機(jī)的空化性能，近年來(lái)，隨著CFD技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬已成為研究水輪機(jī)內(nèi)部空化流動(dòng)的重要手段。近年來(lái)人們開(kāi)始通過(guò)理論分析，在NS方程的基礎(chǔ)上建立流動(dòng)模型，應(yīng)用數(shù)值分析的方法，研究空化流場(chǎng)的特性。對(duì)于空化的數(shù)值模擬研究大體上向著兩個(gè)方向發(fā)展:從空泡的角度研究空化發(fā)生發(fā)展的機(jī)理或從宏觀的角度分析空穴的存在對(duì)流場(chǎng)的影響。徐宇等基于兩相流中兩流體模型的理論和方程,推導(dǎo)了水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪中空化兩相流的兩流體基本方程,并利用kεkp

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