方超科研立項申請書

1、編號： 江蘇大學學生科研項目申請書 課題名稱：側壁式壓水室離心泵空化數(shù)值模擬及實驗研究 申請者： 方超 所在學院： 能動學院 年級、專業(yè)： 2010級流體 指導老師： 康燦 申請日期： 2012.4 項目類別（在相應的類別上打）a、自然科學類論文（）b、發(fā)明制作類c、社會科學類論文江蘇大學學生科研立項管理委員會制說 明l、申報者應在認真閱讀此說明各項內容后按要求詳細填寫。2、表內項目填寫時一律打印，此申報書可復制。3、編號由學生科研立項管理委員會統(tǒng)一填寫。 4、申報作品有關材料請以打印件附于申請書后，申請書為a3紙雙面復印中縫裝訂，一份，（活頁部分單獨裝訂），由所在單位審查簽署意見、加蓋公章后

2、在規(guī)定時間內統(tǒng)一報送校團委，團委不接受個人申報。 5、在前幾批大學生科研課題立項中立項，但沒有結題的同學，不得申報此次大學生科研課題。6、第十一批申報的“挑戰(zhàn)杯”重點項目不適用本申報書。7、有關其他事宜請向校團委咨詢。8、聯(lián)系人：杜明拴（88780040）申請者姓 名方超性 別男出生年月1991.8政治面貌團員所在學院能源與動力工程學院專業(yè)年級流體1002學 歷 本科聯(lián)系電話他聯(lián)系方法申請者曾承擔科研項目及完成情況課 題 名 稱批準時間完成情況申請者本人近幾年以來的主要研究成果（注明刊物的年、期或出版社、出版日期）合作者情況姓 名性別年齡學 歷學 院專 業(yè) 班 級張寧

3、男23研究生能動學院研11 趙華 男 20本科 能動學院 流體1002申請者所在學院分管科研的領導對該項目的基本評價 簽章： 年 月 日學院意見 簽章： 年 月 日編號： 江蘇大學學生科研項目申請書（活頁）課題名稱：側壁式壓水室離心泵空化數(shù)值模擬及實驗研究申請年度： 2012年 江蘇大學學生科研立項管理委員會制說 明l、申報者應在認真閱讀此說明各項內容后按要求詳細填寫。2、表內項目填寫時一律打印，此申報書可復制。3、編號由學生科研立項管理委員會統(tǒng)一填寫。 4、申報作品有關材料請以打印件附于申請書后，申請書（活頁）為a3紙雙面復印中縫裝訂，一式三份和申請書一起由所在單位在規(guī)定時間內統(tǒng)一報送校團委

4、，團委不接受個人申報。 5、在活頁中，一律不得出現(xiàn)申報者和指導教師的信息，否則取消申報資格。6、第十一批申報的“挑戰(zhàn)杯”重點項目不適用本申報書（活頁）。7、有關其他事宜請向校團委咨詢。8、聯(lián)系人：杜明拴（88780040） 研究課題名 稱 側壁式壓水室離心泵空化數(shù)值模擬及實驗研究所屬類別（ a ）、a、自然科學類論文b、發(fā)明制作c、社會科學類論文起止時間2012.92013.12成果形式論文申請經(jīng)費總 額1000其它經(jīng)費來源一、項目的基本內容，項目研究的目的基本思路，國內外研究現(xiàn)狀、水平和發(fā)展趨勢，本研究達到的科學技術水平和預期社會經(jīng)濟效益1. 研究目的空化的存在一直制約著水力機械的發(fā)展，嚴重

5、時甚至會破壞泵的安全運行。本文提出一種特殊形式的側壁式壓水室，通過改變隔舌的位置來降低泵內部強烈的動靜干涉作用。以側壁式壓水室離心泵為研究對象，通過數(shù)值模擬和實驗研究獲得泵內部空化部位、空化形態(tài)、以及空化發(fā)展過程等特征，通過實驗研究，得到泵的空化特性曲線，并和數(shù)值模擬結果進行對比分析從而驗證空化模型及計算方法的準確性，為空化的研究提供一定的理論及試驗支撐。2.國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢目前對離心泵空化流動研究有兩種方法：數(shù)值模擬和實驗分析。（1） 空化的數(shù)值模擬o.coutier-delgosha等人基于fine/turbotm商業(yè)軟件對二維圓柱型葉片離心泵內部空化流場進行了模擬。采用單相流體模

6、型，結果顯示，空化最先發(fā)生在葉片的進口背面附近，之后葉片的壓力面也會迅速產生空化，隨著npsh值的降低空泡體積將會變大脫落并向流道中間發(fā)展。該模型準確地模擬了離心泵內部空化流場的分布特征，但它的局限性在于不能準確得到汽液兩相中汽泡的體積分數(shù)。richard b.medvitz等人采用cfd軟件中多相流模型對離心泵內部空化流場進行了分析。通過三維定常分析發(fā)現(xiàn)在低流量和低空化系數(shù)工況下在葉片背面產生體積較大的片狀空泡，并且在空泡尾部會產生尾跡，在揚程下降的時刻在泵的葉片背面明顯出現(xiàn)了空泡，這和實驗研究結果是符合的。ashok k. singha等人建立了完全空化模型。與其它模型所不同的是，該模型著

7、重考慮了三個因素：壓力和速度的湍流脈動，空泡的形成發(fā)展及運動，主流中的非液化汽的數(shù)量。該研究中通過對水翼周圍空化流場的計算，淹沒圓柱體周圍的空化流場計算等實例對該模型進行了檢驗，計算結果與實驗吻合的較好。國內方面：劉宜，張文軍等采用singhal等人給出的完全空化模型和混合流體兩相流模型模擬離心泵內部的空化流動。采用rng k-湍流模型，在進口和出口邊界給定k-的數(shù)值，固體壁面采用無滑移條件,近壁區(qū)域采用壁面函數(shù)處理.通過simplec算法實現(xiàn)速度和壓力之間的耦合。通過計算獲得了離心泵內部的空化特性，預測了揚程下降曲線，流道內發(fā)生空化的部位和程度。李軍，劉立軍等采用發(fā)展的reynolds-av

8、eraged navier-stokes方程和液相/氣相界面跟蹤方法的單相空化模型數(shù)值求解技術，開展了空化數(shù)對離心泵的水力性能影響特性的數(shù)值研究。采用數(shù)值求解rans方程技術預測離心泵空化流動，該方法的優(yōu)點是可以考慮空化流動的真實物理機理，同時可以處理復雜的流動區(qū)域。實驗結果顯示隨著空化數(shù)的減小，葉輪表面附著空泡的體積、厚度、長度等都增加，從而導致離心泵揚程下降，流量減小，效率下降。（2）空化實驗研究jens friedrichs，gunter kosyna采用高速數(shù)碼相機對低比轉速離心泵進行了研究。得到了空泡發(fā)生位置、形態(tài)、及發(fā)展趨勢等結果。由于旋轉葉片間空化液流的相互作用，相鄰葉片間的空化

9、形態(tài)是不相同的，并呈現(xiàn)相互抑制的現(xiàn)象。通過布置在葉片上的傳感器得到了空化及非空化工況下泵振動頻譜，分析得到在空化條件下出現(xiàn)很多頻率低于軸頻的壓力信號。o.coutier-delgosha等利用可視化系統(tǒng)和ccd高速數(shù)碼相機對二維圓柱型葉片離心泵葉輪進行了研究。利用圖像處理技術得到了空化狀態(tài)下葉片的三維圖。從圖上可以清楚的得空化最先出現(xiàn)在葉片吸力面靠近后蓋板處。清華大學的曹樹良，譚磊等分析了前置導葉對離心泵空化性能的影響，在不同流量下展開了帶有前置導葉離心泵空化性能試驗。得到無導葉、導葉預旋角120時離心泵的空化性能曲線。結果表明離心泵的臨界空化余量隨流量的增加呈近似線性增大。上海交通大學的黃建

10、德等利用涂漆法對比轉速為126 的離心泵進行了汽蝕損傷試驗，弄清了不同流量下，不同進口壓力及不同運行時間下葉輪汽蝕損傷發(fā)生的位置和程度。結果表明隨著進口壓力的降低，汽蝕損傷部位向葉片出口方向移動。（3）發(fā)展趨勢目前空化理論還不成熟，因此對空化的研究主要還是從數(shù)值模擬和實驗研究兩方面入手。隨著計算機技術的高速發(fā)展，復雜的空化計算變得可能。因此發(fā)展更加精確的空化模型可以提高空化計算結果的準確性。但模擬計算還存在著一些不足，如氣液兩相區(qū)的不穩(wěn)定性，空化過程的傳熱等。國內外對泵空化問題的實驗研究主要采用可視化系統(tǒng)，通過高速數(shù)碼相機對空化區(qū)的拍攝來得到空化發(fā)生時形態(tài)，分布位置及空泡的發(fā)展?jié)邕^程。實驗中

11、對實驗設備和圖像處理技術有較高的要求。將模擬和實驗研究結合起來，通過對比和互相補充，可以為空化機理的研究提供更加準確的信息。二、項目的研究思路和方法，技術路線、實驗方案及可行性分析（包括過去的研究工作基礎、現(xiàn)有條件）1研究的主要內容（1）用速度系數(shù)法設計一臺模型泵。設計參數(shù)為：流量q=48（m3/h）揚程h=8(m)轉速n=1450（r/min）ns =130。（2）采用cfd軟件對離心泵內部空化流場進行模擬，從而得到空化發(fā)生位置，空泡形態(tài)，并預測泵的外特性。（3）將數(shù)值模擬和實驗研究相結合對離心泵空化問題進行相關分析，得到泵的空化特性，并驗證數(shù)值計算方法的準確性。 2.實驗設計方案（1）根據(jù)

12、實驗要求搭建閉式小型水泵試驗臺，如下圖所示：（2）對側壁式壓水室離心泵進行外特性能量實驗，得到泵的最高效率點。（3）調節(jié)進口閥門使泵工作在0.8q工況下，用真空泵抽真空使泵發(fā)生空化。再降低泵的進口壓力（每次1000pa），共做9次。繪制揚程隨空化余量的下降曲線。（4）在q和1.2q工況下重復步驟（3）得到泵的空化特性3. 所需的主要設備、儀器和材料（1）模型離心泵一臺 （ q=48（m3/h）h=8(m) n=1450（r/min）ns =130）（2）lwgy - 80a 渦輪流量計一只（3）jsc456 轉速轉矩測量儀一臺（4）水泵試驗臺目前已有（2）、（3）、（4） 三、作品的實際應用價

13、值和現(xiàn)實意義（a、c類），作品的使用范圍及推廣前景及市場分析和經(jīng)濟效益預算（b類）空化問題的存在一直制約著水力機械的發(fā)展，空化的發(fā)生會引起泵內部流場變化、效率下降、揚程降低、振動等問題，嚴重時甚至會導致泵不能正常工作。針對離心泵內部空化流場的研究，揭示泵內部空化位置，空化形態(tài)，對泵的設計以及安全運行都有一定的理論指導作用，并為空化研究提供一定的理論基礎。四、年度研究計劃及預期進展最終預期研究成果，有助于理解、評審的現(xiàn)有技術和參考文獻檢索目錄1.研究計劃2012.9-2012.12 進行三維造型軟件及cfd的學習2013.1-2012.3 進行模型泵的數(shù)值模擬研究2013.4-2013.6 進行

14、模型泵的設計2013.7-2013.9 進行試驗臺的搭建及試驗工作的展開2013.10-2013.12 進行論文的寫作完成核心期刊論文1-2篇2. 參考文獻1 o. coutier-delgosha,r. fortes-patella,j. l. reboud2. experimental and numerical studies in a centrifugal pump with two-dimensional curved blades in cavitating condition. journal of fluid engineering,vol.125,2003,970-978.

15、2jens friedrichs ,gunter kosyna. rotating cavitation in a centrifugal pump impeller of low specific speed. journal of fluids engineering. june 2002,vol.124/357 .3 richard b.medvitz,robert f.kunz,david a.boger,jules w.lindau,adam m.yocum. performance analysis of cavitating flow in centrifugal pumps u

16、sing multiphase cfd. journal of fluids engineering 2002,vol.124/3774 ashok k. singhal, mahesh m. athavale, huiying li, yu jiang. mathematical basis and validation of the full cavitation model. journal of fluid engineering, vol.124,2002,617-624.5t am ura y,m atsum oto y.im provem ent o f bubb le m od

17、el fo r cav itating flow smiu la tionsj.journal of h ydrodynam ics,2009,21(1):41-46.6peshkovsky s l,p eshkovsky a s.sho ck wave m ode l of acoustic cav itationj.u ltrasonics sonochem istry,2008,15(4):618-628.7 s. duplaa, o. coutier-delgosha, a. dazin, o. roussette, g. bois, g. caignaert. experimenta

18、l study of a cavitating centrifugal pump during fast startups. journal of fluid engineering, vol.132,2010.8 wangyong,liuhoulin,yuanshou qi. prediction research on cavitation performance for centrifugal pumps. 2009 ieee international conference on intelligent computing and intelligent systems, icis 2009, v 1, p 137-1409 o. coutier-delgosha1. numerical simulation of turbopump induce