[01070358]叶片泵内部非稳态流动控制及工程应用

叶片式泵是依靠原动机驱动带有叶片的转轮旋转，将原动机的能量转化为液体能量的装置。作为液体输送系统的核心设备，叶片式泵在航天、海洋工程、水力水电工程、核电工程、石油化工工程、市政工程、农业工程、调水工程以及国防建设等领域发挥着举足轻重的作用。 具有宽广的高效运行范围、高抗空化性能和高的运行稳定性，是叶片泵设计始终追寻的目标。叶片泵的性能与其内部流动密切相关，叶片泵水力设计的一个重要任务就是在泵内部流动预测的基础上，合理控制流动，实现叶片泵性能的提升。要实现这一目标，流动预测是关键，项目组在深刻分析叶片泵内部湍流流动特点的基础上，结合现代湍流理论，构建了一系列适用于水力机械内部湍流流动高效和准确求解的湍流模型，并将该方法用于泵产品的流动分析，进而控制流动，达到提高水泵性能的目的。该项目的研究对于节约能源和系统安全意义重大。 该项目取得的主要成果如下： 1、在旋转叶轮内的流场测试、振动和压力脉动信号的同步测量和数据分析等方面开展了有特色的工作，为分析叶片泵内部非稳态流动机理和验证理论成果提供了实验基础。 2、研究了叶片泵叶轮内部的旋转湍流特性，明晰了旋转对湍动能的输运、边界层的稳定性和惯性子区能谱分布等的影响，研究并构建了基于扩展內禀旋转张量的旋转修正湍流模型，应用于离心泵内部流动解析，准确捕捉了小流量工况下叶轮内部的交替失速现象。 3、对标准k-e模型进行了修正，构建的曲率修正的滤波湍流模型，应用于轴流泵内部非稳态流动的解析，准确预测了轴流泵不稳定区域的内部流动和外部性能，为有效改善轴流泵内部的非稳态流动和泵的性能提供了基础。 4、基于冯卡门尺度，构建了尺度自适应的DES湍流模型，有效地分析了不同离心泵叶轮内在不同工况下的内部非稳态流动结构，明晰了相关流动控制手段改善离心泵水力性能和空化性能的机理。 5、基于实验和DNS的结果，构建了非线性混合RANS/LES湍流模型，有效分析了离心泵内部的压力脉动特性，从力学机制上合理解释了离心泵内部压力脉动的机理，明晰了相关流动控制手段对改善离心泵压力脉动特性的机理。 6、与上海东方泵业(集团)有限公司进行了产学研深度合作，将研究成果产业化，研发了多款高效叶片泵产品，产品性能远超出GB19762清水离心泵能效限定值及节能评价值的要求，领先同行业产品性能，达到国际先进水平。 7、将流动控制手段运用于大型斜式轴流泵装置，改善了轴流泵小流量区域的非稳态特性，已应用于杭州市城市防洪中的大型泵站。 8、发明了缝隙引流叶轮，有效改善离心泵的水力、空化和压力脉动特性，且经试验研究表明，新型叶轮可使泵组的振动总级显著降低，有利于提高潜艇的隐身性。 9、该项目的相关成果已在JFE、JHD和IJTJE等期刊上发表了20余篇论文，其中SCI收录6篇，EI收录5篇，申请发明专利5项，授权4项。 该项目的研究成果已取得了显著的经济及社会效益。