用正交法研究短葉片對水輪機空化性能的影響

齊學(xué)義,邵元忠,李鳳成,劉永明,王 飛

(蘭州理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,甘肅 蘭州730050)

空化是水力機械運行中的一種普遍現(xiàn)象,當(dāng)水體中的局部壓力低于此溫度下的汽化壓力時,在水中就有因此而產(chǎn)生的氣泡、空洞現(xiàn)象,空化就發(fā)生了[1]。當(dāng)空化產(chǎn)生時,將會對材料帶來空化破壞,加大機組的振動,嚴(yán)重危害機組的穩(wěn)定安全運行,因此對混流式水輪機的空化研究很有意義[2]。實踐證明長短葉片組合的轉(zhuǎn)輪具有較好的空化性能[3],本文用正交法通過數(shù)值模擬研究短葉片的設(shè)計參數(shù)對復(fù)合轉(zhuǎn)輪空化性能的影響。

1 控制方程及數(shù)值模擬

1.1 流動控制方程

采用singha1等[4]最近發(fā)展的一種完整空化模型。完整空化模型全面考慮了空化流動中的相變、空泡動力學(xué)、湍流壓力脈動和流體中含有的不凝結(jié)性氣體的影響。在來流中給定了不可冷凝氣體的質(zhì)量分數(shù),所以整個流動區(qū)域的不可冷凝氣體的含量都是常數(shù),但其密度隨著當(dāng)?shù)貕簭姷淖兓兓＿@樣就引入了混合密度函數(shù)ρ。由 Rayleigh-Plesset方程[5]得到的空泡特性和考慮各種影響的完整空化模型的空化流動計算連續(xù)性控制方程如下:

蒸汽空泡相:

式中:下標(biāo)v代表蒸汽狀態(tài);ρ為混合流體的密度;V為混合流體的質(zhì)量平均速度矢量;fv為空泡相的體積組分;Re和Rc分別為水蒸汽的生成率和凝結(jié)率。

蒸汽生成率:

式中:下標(biāo) g和1分別代表氣體和液體狀態(tài);P為壓力;Ce為汽化系數(shù);σ為表面張力;κ為湍動能;Pv為水在常溫下(300 K)的空化壓強;fg為流體中不溶解性氣核的質(zhì)量分數(shù)。……