St数对水力机械动静叶栅内固液两相非定常流动特性的影响

Security and stability operation of hydraulic machine are affected seriously by unstable dynamic properties and erosion wear induced by unsteady flow of sediment-laden water and other solid-liquid two-phase flow in stator and rotor cascades. The study on unsteady flow of solid-liquid two-phase flow in hydraulic machines has become a new research area of solid-liquid two-phase fluid dynamics. The unsteady flow characteristics of fluid-solid two-phase flow in stator and rotor cascades under the working conditions of radial diffuser pump and hydraulic turbin will be investigated with visualization tests and numerical simulation based on solid-liquid two-phase fluid dynamics theory. The influence of rotor-stator interactions in stator and rotor cascade and coupling effect between solid phase and liquid phase will be considered respectively.The relationship between dynamics parameters with time-spatial coordinates of unsteady fluid-solid two-phase flow and topology form of coherent vortex will be explored in this item. The effects of solid-phase particle Stokes number(St) which is interrelated with particle size and density on the evolution process of fluid-solid two-phase coherent vortex flow will be explored too. Fluctuation of pressure,radial thrust and axial thrust of hydraulic machine with stator-rotor parts will be analyzed based on the numerical simulation results.So the research results of the item not only offer essential reference and evidence for the optimization design of two-phase fluid dynamics but also lay a previous work foundation for the investigation of stability widening of inner flow and study of anti-abrasion for solid-liquid two-phase hydraulic machine.

动静叶栅内含沙水等固液两相非定常流动诱发的动力特性不稳定和过流壁面磨蚀严重影响着水力机械的安全与稳定运行，同时也使该问题成为水力机械多相流体动力学新的研究方向。本项目基于固液两相流动理论，以径向导叶泵及其反转作为透平时动静叶栅内的流动为研究对象，考虑固液两相相间耦合和动静干涉效应，利用数值计算与实验测试的方法，研究泵和透平工况下动静叶栅内固液两相流体动力学参数随时间和空间坐标的变化规律。在研究中，重点考察关联进口固相密度、粒径以及液相运动特征速度的Stokes数对动静叶栅内固液两相拟序涡流结构演化过程的影响，分析固液两相非定常流动条件下动静叶栅的压力脉动特性以及水力机械径向力与轴向力等诱导力的周期性变化规律，为固液两相流水力机械的优化设计提供参考和依据，同时也将为固液两相流水力机械内部流动扩稳以及抗磨蚀等方面的深入研究奠定前期工作基础。

动静叶栅内含沙水等固液两相非定常流动诱发的动力特性不稳定和过流壁面磨蚀严重影响着水力机械的安全与稳定运行。动静叶栅内非定常涡流特性和演化规律也是水力机械多相流体动力学近年来新的研究方向。本项目基于固液两相流动理论，以径向导叶泵及其反转作为透平时动静叶栅内的流动为研究对象，考虑固液两相相间耦合和动静干涉效应，利用数值计算与实验测试的方法，研究了泵和透平工况下动静叶栅内固液两相流体动力学参数随时间和空间坐标的变化规律、涡流的拓扑结构。由于涡流与固粒相互作用的程度取决于固粒的松弛时间τp与涡流的特征时间τf之比——颗粒St数，因此在研究中，重点考察了Stokes数关联因子（进口固相密度、粒径以及液相运动特征速度）对动静叶栅内固液两相拟序涡流结构演化过程和固液两相流体动力学动力学参数的影响。分析了固液两相非定常流动条件下动静叶栅的压力脉动特性以及水力机械径向力与轴向力等诱导力的周期性变化规律。. 研究主要发现：动叶的强剪切和较大逆压梯度作用是动静叶栅内涡流产生和演化的主要因素，其中大尺度涡的结构主要表现为马蹄涡，小尺度涡的结构主要为条状涡。动静叶栅内的演化过程为：当动叶出口与静叶进口重合时，由动叶栅流出失去动叶作用的环形涡流开始卷曲，与动叶栅出口处的破碎马蹄涡相互作用，逐渐合并成大涡，受后一个位置动静叶栅叶片的联合作用，环形涡被挤压成马蹄涡，当动叶叶片开始掠过动静叶栅干涉区，动静叶栅内原有的马蹄涡受强烈剪切和挤压作用，向静叶栅方向发生卷曲，并逐渐从中间断裂，被撕裂为多个能量、体积较小的条状涡，并在进入静叶栅之前合并成较大的条状涡，受静叶栅头部的非对称绕流的作用，合并的条状涡重新被撕裂，破碎成多个单独的条状涡，并进入静叶栅流动区域。. 本项目搭建了动静叶栅内流可视化试验系统一套，建立了基于大涡模拟的固液两相非定常流动数值计算方法一项；共计发表学术论文12篇，其中EI收录5篇、ISTP收录3篇，硕士学位论文5篇、博士学位论文2篇；培养研究生8人（已毕业5人）、博士生2人（已毕业2人）。参加国际学术会议6人次、国内学术会议15人次；. 本项目的研究成果初步为固液两相流泵及水轮机活动导叶的优化设计提供了理论参考和依据，同时也将为固液两相流水力机械内部流动扩稳以及抗磨蚀等方面的深入研究奠定了前期工作基础。