旋流泵内固液两相流跨尺度涡旋的演化机理及其动力学行为响应

As the main form of unsteady flow in the fluid machine, the vortex determines the superior of the fluid mechanical performance directly. And the study on its evolution mechanism and dynamical behavior response, is a new direction and component of the fluid mechanical research in the future. Aimed at the structure of vortex movement in the vortex pump, based on the coupling theory analysis of fluid dynamics and kinematics, by the means of numerical simulation and experimental observation, according to the mapping relation between the force of the fluid dynamics and the speed of the kinematic in the fluid mechanical, and utilized the vector geometry characteristic of the abovementioned two hydrodynamic parameters, the project explores the vortex evolution mechanism and endeavors to establish of their mathematical models. Meantime, the evolution of the vortex causes the physical parameters of the flow field change, in which the alter of the force field in the flow field is the most fundamental, thus induces a series of posted phenomena and vortex-induced noise, etc., those which affect the operation and stability of the vortex pump and reduce the quality and ability of its work. Therefore it is strongly necessary to study the dynamics behavior changes caused by the vortex evolution. Research results of the project can improve the situation of the fluid machine operation, establish a method on the unsteady vortex movement qualitative diagnosis and quantitative forecast and indication of the solid-liquid two-phase fluid in the vortex pump, which has a certain reference and engineering value on the development of the two-phase fluid type fluid machine.

涡旋作为流体机械内流体非定常流动的主要形式，决定着流体机械性能优越，研究其演化机理及动力学行为响应，是今后流体机械研究的新方向。本项目针对旋流泵内流体涡旋流动结构，以流体流动动力学与运动学耦合理论分析为基点，通过数值模拟和试验观测为手段，基于流体机械内流体动力学的受力和运动学的速度映射关系，利用以上两种流体力学参量的矢量几何性，探究涡旋演化机理及建立其数学模型。同时，涡旋的演化过程改变流场各物理量的变化，最根本的即为流场中力场的改变，由此诱发一些次生现象和涡激噪声等，影响旋流泵的运行稳定性和降低其出力的品质，研究由涡旋演化引起的动力学行为变化是非常必要的。项目的研究成果能够改善流体机械的运行状况，建立的固液两相流体在旋流泵内非定常涡运动定性诊断和定量的预示方法，为固液两相流类流体机械的发展具有一定的参考和工程应用价值。

旋流泵因其存在后缩腔这一特点，导致其内部出现以显著的循环流和贯通流为主的流动结构，使得其具有良好的过流能力和无堵塞性，同时，在一定程度上影响旋流泵的运行稳定性和降低其出力的品质。如何在保证旋流泵内大颗粒、长纤维等固液两相流通过，并且提高其做功能力，其中，在旋流泵特殊结构下，包含的两相流流动与耦合问题，成为同类型固液两相流泵所亟需解决的新课题。本项目以旋流泵内流体流动动力学与运动学耦合理论分析为基点，通过数值模拟和试验观测为手段，基于流体机械内流体动力学的受力特性和运动学的速度映射关系，利用以上两种流体力学关联性，探究旋流泵内固液两相流流动结构演化机理及其动力学行为响应。首先，建立了旋流泵叶片型式的数学模型，进行了基于正交试验的旋流泵叶轮优化和多目标设计，有利于旋流泵的生产和标准化加工；通过旋流泵内流结构及流动机理研究，建立了更符合实际流动的旋流泵内部流动模型。在此基础上，研究了旋流泵内流致噪声分布特性及无叶腔内流体速度与流致噪声的特征关联性，开发了适合输送固液两相的螺旋离心诱导轮式旋流泵，确定了旋流泵叶轮优化设计和多目标设计最优模型。研究表明旋流泵内流结构主要由受循环流影响的贯通流、主次循环流、叶片间涡旋和流道内其它水力涡旋或撞击组成，其中循环流是影响其能量转换的主要因素；旋流泵叶片最优组合是叶片角度型式为R30F60、折点位置在叶片2/3处、采用无楔形叶片；旋流泵内部噪声以低频成份为主，高频成份占比较低；添加螺旋离心诱导轮可以有效消弱循环流的存在，提高旋流泵整体性能，又不影响整体固液两相流过流能力。项目的研究成果对于揭示旋流泵内流机理，为提高其效率、优化其水力设计提供了理论依据，同时，能够改善旋流泵的运行状况，有效保证其的性能和提升旋流泵系统稳定安全性，以及为同类型固液两相流泵的发展具有一定的工程应用价值和重要的指导意义。