一种用于表征离心泵空化非定常强度的方法技术

本发明专利技术涉及水力机械的空化领域，具体涉及一种用于表征空化非定常强度的方法。为了解决现有技术中采用能量下降法表征离心泵的空化发展强度，存在滞后和误差的问题，本发明专利技术公开了一种用于表征离心泵空化非定常强度的方法。该方法包括以下步骤：步骤一，确定离心泵旋转周期内的特征参数；步骤二，建立模型进行数值模拟，获取离心泵的特征压力脉动ΔP并求其标准差值S；步骤三，建立离心泵空化非定常强度的无量纲公式，对该空化条件下离心泵的空化非定常强度进行计算，获取无量纲系数Ci。通过本发明专利技术的方法获得的无量纲数Ci表征离心泵空化发展强度要比现有技术中采用能量下降法表征离心泵空化发展强度更精准更快速。

【技术实现步骤摘要】
一种用于表征离心泵空化非定常强度的方法
本专利技术涉及水力机械的空化领域，具体涉及一种用于表征离心泵空化非定常强度的方法。
技术介绍
在水力机械的运行过程中，由于机械内的局部压力下降会引起流体产生空化现象，空化是一种包含相变、非定常、多维湍流和可压缩等多种复杂流动的现象。由于空化的产生会造成水力机械的性能下降，并且空化产生的空泡在发生溃灭时将会对机械表面造成破坏。因此，如何准确预测空化的产生以及空化的发展程度具有重要意义。目前，在现有技术中用于评估水力机械空化强度的方法主要是能量下降法，例如将水泵的扬程下降程度，水翼的升力系数下降程度等作为衡量空化发展强度的标准。其中，空化数作为表征空化发生的可能性以及描述空化状态的无量纲参数，与离心泵的进口压力密切相关。在现有技术中通过对不同空化数下离心泵输出的扬程进行监测，将离心泵扬程下降3％时对应的空化数作为离心泵的空化初生点。然而，由于离心泵的扬程只是体现离心泵外特性的一个静态临界值，并没有兼顾到空化对离心泵性能在动态和不断积累过程中的影响。因此，在对离心泵运行状态的模拟试验过程中发现，扬程的下降量与空化的发展程度之间存在着差异和滞后，即在空化已经发生并且在一定阶段内有所发展的时候，离心泵的输出扬程保持不变。因此，在离心泵的前期设计和试验过程中，如果采用检测离心泵扬程的下降量作为表征离心泵空化发展程度的参数会存在着滞后和误差的问题，这样则无法快速和准确的确定离心泵真正发生空化的时间和空化前期发展的实际情况，从而很难对提高离心泵空化性能做出更好的结构改进和设计。
技术实现思路
为了解决现有技术中采用能量下降法表征离心泵的空化发展强度，存在滞后和误差的问题，本专利技术提出了一种用于表征离心泵空化非定常强度的方法。该方法包括以下步骤：步骤一，确定离心泵旋转周期内的特征参数，包括特征尺度L，特征密度ρ，特征速度U，特征时间t以及流体介质的饱和蒸气压Pv；步骤二，建立模型进行数值模拟，在确定的空化条件下获取离心泵一个旋转周期内的特征压力脉动ΔP并求其标准差值S，其中特征压力脉动ΔP等于特征压力与流体介质的饱和蒸气压之间的差值：首先，建立模型，对离心泵一个旋转周期内的非定常计算时间步数进行N等分，并且每一等分的时间步长为Δt；接着，进行数值模拟，提取tn时刻的特征压力Pn和空泡体积分数αvn，获得tn时刻的特征压力脉动ΔPn；其中tn＝t0+n·Δt，ΔPn＝Pn-Pv，t0为非定常空化流动的起始时刻，n为整数且1≤n≤N；然后，建立低压作用特征时间公式，计算tn时刻的低压作用特征时间tln，并对tn时刻的低压作用特征时间t1n进行无量纲化,获得相应的无量纲化系数kn；其中低压作用特征时间公式无量纲系数kn＝tln/t；最后，以低压作用特征时间tln的无量纲化系数kn作为权重，对离心泵一个旋转周期内的特征压力脉动ΔPn进行加权处理后获得其标准差值S；其中标准差值步骤三，建立离心泵空化非定常强度的无量纲公式，对该空化条件下离心泵的空化非定常强度进行计算并无量纲化处理，获取无量纲系数Ci，其中优选的，在所述步骤一中，所述特征尺度L选取离心泵叶轮的半径尺寸，所述特征密度ρ选取离心泵内流体介质的密度，所述特征速度U选取离心泵叶轮出口处的圆周速度，所述特征时间t选取离心泵叶轮旋转一周的时间。优选的，在所述步骤二中，采用SSTk-ω湍流模型和Kubota空化模型进行离心泵内全三维非定常空泡流动的数值模拟。优选的，在所述步骤二中，选取离心泵的第二个旋转周期作为表征离心泵空化非定常强度的旋转周期。优选的，在所述步骤二中，以离心泵叶轮每旋转3°作为一个时间步长，将离心泵一个旋转周期内的非定常计算时间步数进行120等分。优选的，在所述步骤二中，tn时刻的特征压力Pn和空泡体积分数αvn分别为：和其中M为离心泵叶轮内控制单元总数，Pm为对应控制单元内的绝对压力值，αvm为对应控制单元内的汽相体积分数，Vm为对应控制单元的体积，V为离心泵叶轮内过流介质的体积。进一步优选的，调整所述步骤二中的空化条件，获得不同空化条件下的Ci值，并拟合出不同空化条件下空化数σ与无量纲系数Ci之间的关系曲线图。与现有技术中采用能量下降法表征离心泵空化发展强度相比较，采用本专利技术的方法表征离心泵空化非定常强度具有以下有益效果：本专利技术通过建立模型和公式引入体现离心泵非定常强度的无量纲数Ci来表征离心泵在流动特证周期内的空化发展程度。在建立模型和公式的过程中通过引入离心泵内部空化流场的特征参数以及流场自身流动特征参数，使最终获得的无量纲数Ci与流场压力脉动的变化保持一致，直接体现出离心泵内部的非定常特性。由于在离心泵空化的初生和发展过程中，离心泵内部非定常特性的变化速度和变化强度都比离心泵外特性的变化更快更精准，因此采用无量纲数Ci表征离心泵空化发展强度要比现有技术中采用能量下降法表征离心泵空化发展强度更精准更快速。这样在离心泵的前期设计和试验过程中，通过建立模型和数值模拟获得无量纲系数Ci，可以快速和准确的判断离心泵内部空化的发生时间和发展状况，从而更精准的对离心泵结构进行优化改进，提高离心泵实际应用中的空化性能。附图说明图1是本专利技术用于表征离心泵空化非定常强度方法的流程示意图；图2是采用本专利技术用于表征离心泵空化非定常强度方法获得不同空化条件下，无量纲系数Ci与空化数σ之间的关系曲线图；图3是采用现有技术中能量下降法获得不同空化条件下，离心泵输出扬程H2与空化数σ之间的关系曲线图；图4是在数值模拟过程中不同空化条件下截取的离心泵内空化形态示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案进行详细介绍，在本专利技术中涉及的部分函数符号所表示的含义如下表所示。结合图1所示，确定离心泵旋转周期内的特征参数；建立模型对离心泵旋转周期内的非定常计算时间步数进行划分；进行数值模拟获取离心泵旋转周期内的特征压力P、空泡体积分数αv和特征压力脉动ΔP；建立低压作用特征时间公式求取低压作用特征时间tl，并对低压特征时间tl进行无量纲化处理；再以低压作用特征时间tl的无量纲化系数Kn作为权重对特征压力脉动ΔP进行标准差的求取；最后建立评估离心泵空化非定常强度的无量纲公式，获取表征离心泵空化非定常强度的无量纲系数Ci。具体步骤如下：步骤一，确定离心泵旋转周期内的特征参数，包括特征尺度L，特征密度ρ，特征速度U，特征时间t以及流体介质的饱和蒸气压Pv。其中，特征尺度L选取为离心泵叶轮的半径尺寸，特征密度ρ选取为离心泵内流体介质的密度，特征速度U选取为离心泵叶轮出口处的圆周速度，特征时间t选取离心泵叶轮旋转一周的时间。步骤二，建立模型进行数值模拟，在确定的空化条件下获取离心泵在特定旋转周期内的特征压力脉动ΔP，并计算特征压力脉动ΔP的标准差值S。其中，特征压力脉动ΔP等于特征压力P与流体介质的饱和蒸气压Pv之间的差值。具体过程为：首先，建立模型，选取离心泵的一个旋转周期作为获得离心泵空化非定常强度的特定旋转周期，并对该特定旋转周期内的非定常计算时间步数进行N等分，每一等分的时间步长为Δt。优选的，本专利技术中，采用SSTk-ω湍流模型和Kubota空化模型进行离心泵内全三维非定常空泡流动的数值模拟，并采用商用代码ANSYSCFX15.0全隐式耦合技术对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于表征离心泵空化非定常强度的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一，确定离心泵旋转周期内的特征参数，包括特征尺度L，特征密度ρ，特征速度U，特征时间t以及流体介质的饱和蒸气压P

【技术特征摘要】
1.一种用于表征离心泵空化非定常强度的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一，确定离心泵旋转周期内的特征参数，包括特征尺度L，特征密度ρ，特征速度U，特征时间t以及流体介质的饱和蒸气压Pv；步骤二，建立模型进行数值模拟，在确定的空化条件下获取离心泵一个旋转周期内的特征压力脉动ΔP并求其标准差值S，其中特征压力脉动ΔP等于特征压力与流体介质的饱和蒸气压之间的差值：首先，建立模型，对离心泵一个旋转周期内的非定常计算时间步数进行N等分，并且每一等分的时间步长为Δt；接着，进行数值模拟，提取tn时刻的特征压力Pn和空泡体积分数αvn，获得tn时刻的特征压力脉动ΔPn；其中tn＝t0+n·Δt，ΔPn＝Pn-Pv，t0为非定常空化流动的起始时刻，n为整数且1≤n≤N；然后，建立低压作用特征时间公式，计算tn时刻的低压作用特征时间tln，并对tn时刻的低压作用特征时间t1n进行无量纲化,获得相应的无量纲化系数kn；其中低压作用特征时间公式无量纲系数kn＝tln/t；最后，以低压作用特征时间tln的无量纲化系数kn作为权重，对离心泵一个旋转周期内的特征压力脉动ΔPn进行加权处理后获得其标准差值S；其中标准差值步骤三，建立离心泵空化非定常强度的无量纲公式，对该空化条件下离心泵的空化非定常强度进行计算并无量纲化处理，获得无量纲系数Ci；其中2.根据权利要求1所述的用于表征离心泵空...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵伟国，赵国寿，王桂鹏，夏添，马亮亮，
申请(专利权)人：兰州理工大学，
类型：发明
国别省市：甘肃,62