軸流泵葉輪葉頂區(qū)空化特性試驗(yàn)分析

張德勝, 石 磊, 陳 健, 潘 強(qiáng), 施衛(wèi)東

(江蘇大學(xué) 流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

?

軸流泵葉輪葉頂區(qū)空化特性試驗(yàn)分析

張德勝, 石 磊, 陳 健, 潘 強(qiáng), 施衛(wèi)東

(江蘇大學(xué) 流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

為了研究葉頂區(qū)空化特性,以某一模型軸流泵為研究對(duì)象,利用高速攝影試驗(yàn),探討不同葉片數(shù)下泵的水力性能和空化性能、不同流量下的葉頂泄漏渦軌跡、不同空化數(shù)下的葉頂空化形態(tài)以及葉頂區(qū)空化發(fā)展瞬態(tài)特性.試驗(yàn)結(jié)果表明,適當(dāng)增加葉片數(shù),泵的水力性能和空化性會(huì)更好；在小流量工況下,葉頂更易發(fā)生空化初生；隨著流量的增大,葉頂泄漏渦軌跡與葉片吸力面的夾角逐漸減小,同時(shí)泄漏渦初生點(diǎn)逐漸向葉頂尾緣移動(dòng)；在葉頂三角形云狀空化尾緣產(chǎn)生云狀空化渦,受到葉頂泄漏渦的卷吸,與葉頂泄漏渦渦帶尾緣脫落的空化渦相互作用混合,沿著幾乎垂直葉片的方向向相鄰葉片的壓力面移動(dòng),造成了流道的堵塞,降低了泵的水力性能.垂直云狀空化渦堵塞流道,引起葉頂區(qū)流量減小,造成葉頂間隙空化減少以及與葉頂區(qū)相連的三角形云狀空化的寬度減小.

軸流泵； 高速攝影； 葉頂泄漏渦空化； 垂直云狀空化渦； 三角形云狀空化

由于與泵的穩(wěn)定運(yùn)行和水力性能相關(guān),軸流泵中葉頂泄漏渦及其空化現(xiàn)象一直以來(lái)備受關(guān)注[1].為了避免摩擦,葉輪葉頂區(qū)和葉輪室壁面存在一定的間隙,葉片葉頂與葉輪室的相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及葉片葉頂區(qū)壓力面與吸力面的壓差造成了葉頂泄漏流的形成.葉頂泄漏流和反方向的來(lái)流在吸力面附近發(fā)生卷吸,形成葉頂泄漏渦.由于渦心固有的低壓區(qū),葉頂泄漏渦容易產(chǎn)生空化.在軸流式旋轉(zhuǎn)機(jī)械中,葉頂泄漏渦形成機(jī)理、結(jié)構(gòu)特性、發(fā)展演變規(guī)律以及空化現(xiàn)象已經(jīng)得到了廣泛的研究[2-4].試驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬分析是研究葉頂泄漏渦及其空化特性最普遍的2種方法.數(shù)值模擬,尤其是大渦模擬(large eddy simulation, LES)方法取得了一些研究成果[5-7].但是由于大量的網(wǎng)格要求、全三維模擬特性以及數(shù)據(jù)收斂性和長(zhǎng)時(shí)間采樣的需求,大渦模擬方法對(duì)于研究者具有很大的的挑戰(zhàn)性.試驗(yàn)方法在這一方面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì).李忠等[8]通過(guò)試驗(yàn)捕捉到了空化發(fā)生的位置和空泡形態(tài)隨空化程度變化的演變過(guò)程.張德勝等[9-10]基于高速攝影試驗(yàn)揭示了葉頂區(qū)空化形態(tài)類型和葉片尾緣處云狀空泡脫落現(xiàn)象.Tabar等[11]研究了不同流量下軸流泵葉頂泄漏渦空化形態(tài)和空化初生.Wu等[12-13]利用粒子圖像測(cè)速技術(shù)(particle image velocimetry, PIV)對(duì)噴水推進(jìn)泵葉輪葉頂區(qū)域的流動(dòng)結(jié)構(gòu)、湍流脈動(dòng)特性以及空化現(xiàn)象進(jìn)行了測(cè)量.Matthieu等[14]基于立體粒子圖像測(cè)速技術(shù)(stereo particle image velocimetry, SPIV)對(duì)三維水翼不同間隙、不同來(lái)流速度以及不同水翼攻角下的葉頂泄漏渦渦心強(qiáng)度、軸向流動(dòng)、渦心位置以及渦心運(yùn)動(dòng)范圍進(jìn)行了研究.

上述研究結(jié)果表明,葉頂泄漏渦及其空化現(xiàn)象嚴(yán)重影響葉頂區(qū)流場(chǎng)結(jié)構(gòu),造成水力機(jī)械的運(yùn)行不穩(wěn)定.本文以某一模型軸流泵為研究對(duì)象,利用高速攝影試驗(yàn),對(duì)軸流泵葉片葉頂區(qū)空化流進(jìn)行分析,研究了不同葉片數(shù)下泵的空化性能和空化初生、不同流量下的葉頂泄漏渦軌跡,以及不同汽蝕余量下葉頂區(qū)空化形成與發(fā)展演變規(guī)律,旨在為軸流泵葉頂泄漏渦空化研究提供一定的試驗(yàn)基礎(chǔ).

1 模型泵幾何參數(shù)

本文的研究對(duì)象為某一模型泵,基本參數(shù)如下：葉輪直徑D2=200 mm,葉輪葉片數(shù)Z=3,導(dǎo)葉葉片數(shù)Zd=7, 轉(zhuǎn)速n=1 450 r/min,額定流量qVBEP=365 m3/h,額定揚(yáng)程H=3.02 m, 葉頂間隙htip=0.5 mm.葉輪結(jié)構(gòu)如圖1所示.為了使片光源清晰的射入葉輪流場(chǎng),葉輪表面涂上黑色噴漆用以吸收激光,避免激光在葉輪上造成漫反射而影響拍攝質(zhì)量.葉輪室采用全透明有機(jī)玻璃材質(zhì)制造,形狀外方內(nèi)圓,且折射率與清水相近,如圖2所示.

圖1 葉輪模型圖Fig.1 Diagram of impeller model

圖2 測(cè)試段結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of test section

2 試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法

2.1 外特性試驗(yàn)

本次外特性試驗(yàn)和高速攝影試驗(yàn)是在同一套試驗(yàn)系統(tǒng)上完成的,試驗(yàn)臺(tái)示意圖如圖3所示.整套試驗(yàn)系統(tǒng)包括穩(wěn)壓罐、進(jìn)出口測(cè)壓管、增壓泵、渦輪流量計(jì)、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩儀、調(diào)節(jié)閥和測(cè)試段等組件組成.

圖3 試驗(yàn)臺(tái)示意圖Fig.3 Schematic diagram of test bench

試驗(yàn)前先將電動(dòng)機(jī)空載,進(jìn)行轉(zhuǎn)矩調(diào)零.再將進(jìn)出口閥門全開(kāi),將轉(zhuǎn)速控制在1 450 r/min,穩(wěn)定后開(kāi)啟增壓泵,將流量調(diào)至大流量工況區(qū)域.隨后通過(guò)降低增壓泵轉(zhuǎn)速來(lái)降低流量；直到增壓泵的降速不能帶來(lái)流量的降低后,緩慢關(guān)閉出口閥門,以此來(lái)降低泵內(nèi)的流量.考慮到有機(jī)玻璃的可靠性,將工況點(diǎn)降至駝峰區(qū)域附近(泵振動(dòng)最為嚴(yán)重),即停止試驗(yàn),并全開(kāi)出口閥門.以此步驟重復(fù)測(cè)量5次,取各值的算術(shù)平均值為試驗(yàn)得出的實(shí)際值以減小測(cè)量中的隨機(jī)誤差.

2.2 高速攝影試驗(yàn)

本次高速攝影試驗(yàn)設(shè)置的采樣頻率為5 000 Hz,曝光時(shí)間為107 μs.高速攝影試驗(yàn)裝置圖如圖4所示.模型軸流泵的葉頂區(qū)空化流可視化試驗(yàn)采用主動(dòng)空化的方法測(cè)量.通過(guò)不斷降低泵進(jìn)口壓力,迫使葉頂泄漏渦產(chǎn)生空化.模型軸流泵變頻啟動(dòng),轉(zhuǎn)速逐漸升高到1 450 r/min,系統(tǒng)先運(yùn)行一段時(shí)間,以便排出水中的氣泡.調(diào)節(jié)管路系統(tǒng)閘閥,調(diào)整流量到不同的工況點(diǎn)下.然后啟動(dòng)真空泵,抽取汽蝕罐內(nèi)部空氣形成真空度,使泵內(nèi)部逐漸發(fā)生空化現(xiàn)象.當(dāng)汽蝕罐內(nèi)的壓力穩(wěn)定后,開(kāi)始進(jìn)行高速攝影試驗(yàn),記錄不同工況下的空化形態(tài).

圖4 高速攝影布置圖Fig.4 High speed photography setup

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不同葉片數(shù)下外特性分析

如圖5所示為3葉片與4葉片模型泵的外特性曲線對(duì)比.橫坐標(biāo)qV/qVBEP為流量系數(shù),qV為流量，η為模型泵的效率.從圖5中可以看出,隨著葉輪葉片數(shù)的減少,葉輪做功能力減小,導(dǎo)致?lián)P程降低,效率下降,當(dāng)流量增大時(shí),隨著葉片數(shù)的增加,由于流體與過(guò)流面積的摩擦增大,因此4葉片葉輪的揚(yáng)程下降較快.從圖中還可以看出,隨著葉片數(shù)的增大,駝峰區(qū)逐漸向更小的流量方向移動(dòng),而效率最大點(diǎn)逐漸向額定流量點(diǎn)移動(dòng),這樣將會(huì)增加泵的穩(wěn)定運(yùn)行范圍,減少運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)與噪聲.

圖5 模型泵水力性能Fig.5 Hydraulic performance of model pump

3.2 不同葉片數(shù)下空化性能分析

圖6 不同葉片數(shù)下空化性能曲線Fig.6 Cavitation performance curves for different blade numbers

如圖6所示為不同葉片數(shù)下的空化性能曲線對(duì)比.橫坐標(biāo)NPSH為汽蝕余量,定義臨界汽蝕余量為相比于額定揚(yáng)程,揚(yáng)程降為3%的點(diǎn).從圖6中可以看出,揚(yáng)程隨著汽蝕余量的減小出現(xiàn)略微上升然后突然下降的過(guò)程,這是因?yàn)樵囼?yàn)中空泡附著在葉片上,會(huì)光滑葉片表面,改變?nèi)~片的形狀,使揚(yáng)程略微上升,然后隨著空化的發(fā)展,空泡會(huì)堵塞流道,造成泵性能的突然惡化.同時(shí)可以看出隨著葉片數(shù)的減少,葉輪的臨界汽蝕余量值增大,空化性能變差,空化初生較早,這是因?yàn)槿~片壓力面與吸力面的壓差變大,會(huì)導(dǎo)致葉頂區(qū)空化變得嚴(yán)重.因此,建議適當(dāng)增大葉片數(shù),會(huì)提高泵的空化性能.

3.3 不同流量下空化性能分析

如圖7所示為3葉片不同流量下空化特性曲線對(duì)比.從圖7中可以看出,不同流量下的揚(yáng)程隨著汽蝕余量的減小會(huì)呈現(xiàn)先小幅度的上升,然后急劇減小.隨著流量的減小,臨界汽蝕余量值逐漸增大,所以在小流量下更加容易產(chǎn)生空化.

圖7 不同流量下空化特性曲線Fig.7 Cavitation performance curves for different flow rates

3.4 不同流量下葉頂泄漏渦軌跡

圖8 不同流量下空化形態(tài)及泄漏渦軌跡Fig.8 Cavitation patterns and leakage vortex trajectories under different flow rate conditions

空化是顯示渦軌跡最簡(jiǎn)便的方法[15],如圖8(a)所示.通過(guò)降低測(cè)試段的靜壓使的渦心汽化,從而使得泄漏渦軌跡可視化.在數(shù)值模擬中,利用旋渦強(qiáng)度準(zhǔn)則可以捕捉到渦心區(qū)域的大概位置[16-17],但是由于渦心的不斷振蕩,所以很難準(zhǔn)確捕捉渦心的位置.定義軸向系數(shù)γ=Zimp/R,其中Zimp為葉輪軸向距離,R為葉輪室半徑.弦長(zhǎng)系數(shù)λ=S·C-1,其中S不同弦長(zhǎng)位置,C為葉頂翼型弦長(zhǎng).圖8(b)～(e)是3葉片葉輪不同流量下的葉頂泄漏渦空化以及葉頂泄漏渦軌跡圖,從圖中可以看出,小流量工況下的葉頂空化要更為劇烈,在葉頂出口尾緣處有大量空泡脫落,如圖中8(a)所示.因?yàn)樵谛×髁抗r下,葉片葉頂區(qū)壓差要更大,導(dǎo)致泄漏流速度很快,更早的形成葉頂泄漏渦,從而導(dǎo)致空化初生更早,從圖7中可以得出.根據(jù)葉頂泄漏渦軌跡以及圖8(d)所示,不同流量下葉頂泄漏渦軌跡差異很大.隨著流量的增大,葉頂泄漏渦與葉片吸力面的夾角α變小,這是因?yàn)殡S著流量的增大,主流的整合作用越強(qiáng),導(dǎo)致葉頂泄漏渦更加接近葉片吸力面,這樣對(duì)相鄰葉片的影響將會(huì)減小,阻塞效應(yīng)對(duì)于泵的水力性能影響減小.同時(shí),隨著流量的增大,葉頂泄漏渦的初生點(diǎn)向葉片葉頂出口處靠近,這是因?yàn)殡S著流量的增大,葉頂區(qū)前緣葉片壓差將會(huì)減小甚至消失,導(dǎo)致葉頂泄漏渦初生點(diǎn)往后移動(dòng),流量越大,移動(dòng)越明顯.這些現(xiàn)象在數(shù)值模擬計(jì)算中得到了很好的論證[18-19].

3.5 不同汽蝕余量下葉頂空化形態(tài)分析

如圖9所示為3葉片葉輪額定工況不同汽蝕余量下的葉頂區(qū)空化形態(tài)圖.從圖9(a)中可以看出,葉頂區(qū)空化類型由葉頂分離渦空化、葉頂間隙空化、剪切層空化以及葉頂泄漏渦空化組成,其中PS表示葉片壓力面,SS表示葉片吸力面.從9(b)中可以看出,隨著空化的發(fā)展,葉頂泄漏渦空化沿著葉頂區(qū)向葉片出口處發(fā)展,同時(shí)葉頂間隙空化增強(qiáng).當(dāng)NPSH=7.09 m時(shí),葉頂泄漏渦空化發(fā)展至葉頂弦長(zhǎng)的1/3處,同時(shí)發(fā)現(xiàn)從葉頂脫落的分離渦空化受到葉頂泄漏渦空化的影響,呈一定角度偏離葉片吸力面,最終由于渦心的壓力升高導(dǎo)致破裂消失,如A所示.下一階段,空化幾乎覆蓋了整個(gè)葉頂區(qū)域,形成了由葉頂間隙空化、射流剪切層空化以及葉頂間隙空化組成的三角形云狀空化結(jié)構(gòu),如圖9(b)中NPSH=5.74 m所示.當(dāng)汽蝕余量繼續(xù)降低時(shí),三角形云狀空化結(jié)構(gòu)開(kāi)始不穩(wěn)定,由于受到葉頂泄漏渦的影響,在其尾緣有空穴以垂直葉片的角度開(kāi)始脫落,被葉頂泄漏渦吸收,如圖9(b)中的B所示.從圖7中的空化特性曲線來(lái)看,此時(shí)揚(yáng)程會(huì)有一個(gè)小幅度的上升,因?yàn)榇藭r(shí)并沒(méi)有看到大片空穴脫落,阻塞效應(yīng)并不明顯,而且空穴的附著會(huì)使葉片表面光滑,減小了摩擦損失.而當(dāng)空化發(fā)展更嚴(yán)重時(shí),如圖9(b)中的NPSH=3.94 m時(shí),垂直的云狀空化渦在尺寸和數(shù)量上變大,這時(shí)候產(chǎn)生了阻塞效應(yīng),揚(yáng)程出現(xiàn)了下降.隨著汽蝕余量的進(jìn)一步降低,垂直的云狀空化渦不斷向相鄰葉片的壓力面移動(dòng),阻塞了流道,同時(shí)在移動(dòng)的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生破裂,破裂的小尺度空化會(huì)嚴(yán)重影響相鄰葉片的壓力面載荷分布,同時(shí)會(huì)成為下一個(gè)葉片空化的空化核,如圖9(b)中的NPSH=3.11 m所示.此時(shí)揚(yáng)程產(chǎn)生急劇下降,阻塞效應(yīng)明顯.綜上所述,一旦垂直云狀空化渦生成,并且開(kāi)始脫落阻塞流道時(shí),泵的性能隨之開(kāi)始惡化,因此,如何控制其脫落是提高水泵性能的重要措施.

圖9 葉頂區(qū)空化形態(tài)Fig.9 Cavitation patterns in tip region

3.6 葉頂區(qū)空化發(fā)展瞬態(tài)特性分析

如圖10(a)所示為文獻(xiàn)[21]中提出的葉頂垂直云狀空化渦在不同空化數(shù)下的形態(tài),由于葉頂泄漏渦的卷吸造成了垂直云狀空化渦的形成,然后隨著空化數(shù)的減小,其不斷發(fā)展,最后嚴(yán)重堵塞了流道.圖10(b)是3葉片額定工況下汽蝕余量NPSH=3.11 m時(shí)不同時(shí)刻t的葉頂區(qū)空化形態(tài),通過(guò)觀察葉頂區(qū)空化的瞬態(tài)發(fā)展,得出葉頂區(qū)空化發(fā)展的一些規(guī)律.葉頂區(qū)的云狀空化非常的不穩(wěn)定,在其尾緣會(huì)有垂直云狀空化渦的脫落[20-21].從上述分析得出,垂直云狀空化渦脫落后,會(huì)阻塞流道,造成軸流泵水力性能的下降.同時(shí)其向相鄰葉片壓力面運(yùn)動(dòng)時(shí),會(huì)造成壓力面載荷的突變.因此控制其脫落是十分重要的,而知曉其脫落機(jī)理是基礎(chǔ).從圖10(b)中C可以看出,垂直云狀空化渦脫落是受到葉頂泄漏渦的影響,方向從平行于葉片葉頂區(qū)到垂直于葉片,同時(shí)其會(huì)被葉頂泄漏渦空化尾緣吸收,而發(fā)生卷吸后,葉頂泄漏渦空化尾緣會(huì)產(chǎn)生脫落,脫落的葉頂泄漏渦空化會(huì)和垂直云狀空化渦互相作用混合,形成新的空化渦D,由于受到慣性的影響,沿著原先的軌跡向相鄰葉片壓力面移動(dòng),在此過(guò)程中,運(yùn)動(dòng)到局部高壓地區(qū),會(huì)產(chǎn)生破裂消失,形成無(wú)數(shù)小尺度的渦絲,如E所示,小尺度渦絲由于流體的黏性而慢慢耗散消失.從以上分析中,還可以很明顯地得出,一旦垂直云狀空化渦形成并開(kāi)始脫落時(shí),會(huì)造成葉頂區(qū)轉(zhuǎn)子流道的堵塞,使葉頂區(qū)流量減小,造成葉頂區(qū)葉片壓差減小,泄漏流減少,最終葉頂間隙空化會(huì)減小,如圖中F所示.同時(shí)在這個(gè)過(guò)程中,葉頂泄漏流減小了,會(huì)造成與葉頂區(qū)相連的三角形云狀空化的寬度減小,從圖9中的β可以看出.

圖10 不同時(shí)刻葉頂空化形態(tài)Fig.10 Cavitation patterns in tip region at different times

4 結(jié) 論

(1) 本文通過(guò)外特性和空化試驗(yàn),對(duì)比了不同葉片數(shù)下某一模型軸流泵的性能.試驗(yàn)得出4葉片比3葉片葉輪的水力性能和空化性能更好,說(shuō)明適當(dāng)增加葉片數(shù)是有利的.

(2) 通過(guò)高速攝影試驗(yàn)對(duì)3葉片葉輪進(jìn)行重點(diǎn)分析得出,在小流量工況下,葉頂泄漏渦更易發(fā)生空化初生,隨著流量的增大,葉頂泄漏渦空化與葉片吸力面的夾角更小,泄漏渦初生點(diǎn)沿著葉頂向尾緣移動(dòng),驗(yàn)證了數(shù)值模擬的結(jié)論.

(3) 在葉頂區(qū)三角形云狀空化尾緣發(fā)現(xiàn)了受到葉頂泄漏渦影響并被吸收的垂直于葉片的空化渦,其最終與脫落的葉頂泄漏渦尾緣空化相互作用混合,并向相鄰葉片的壓力面移動(dòng).垂直云狀空化渦的形成、發(fā)展以及脫落將會(huì)造成軸流泵水力性能的下降.同時(shí),垂直云狀空化渦會(huì)造成流量減小,引起葉頂間隙空化的減小,并且造成與葉頂區(qū)相連的三角形云狀空化的寬度減小.

[1] LABORDE R, CHANTREL P, MORY M. Tip clearance and tip vortex cavitation in an axial flow pump [J]. Journal of Fluids Engineering, 1997, 119(3): 680-685．

[2] RAINS D A. Tip clearance flows in axial compressors and pumps [D]. California: California Institute of Technology, 1954．

[3] 楊昌明,陳次昌,王金諾,等.軸流泵端壁間隙流動(dòng)特性的數(shù)值研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2003, 39(9): 49-51．

YANG Chang-ming, CHEN Ci-chang, WANG Jin-nuo, et al. Numerical study for behavior of tip clearance flow in axial-flow pump [J]. Chinese Journal of mechanical Engineering, 2003, 39(9): 49-51．

[4] 戴辰辰,郭鵬程,羅興锜.軸流泵端壁間隙流動(dòng)特性的數(shù)值分析[J].流體機(jī)械,2009, 37(6): 32-35．

DAI Chen-chen, GUO Peng-cheng, LUO Xing-qi. Numerical analysis of tip leakage flow characteristic in axial flow pump [J]. Fluid Machinery, 2009, 37(6): 32-35．

[5] YOU D, WANG M, MOIN P, et al. Study of tip-clearance flow in turbomachines using large-eddy simulation [J]. Computing In Science & Engineering, 2004, 6(6): 38-46．

[6] 黎耀軍,沈金峰,嚴(yán)海軍,等.葉頂間隙對(duì)軸流泵輪緣泄漏流動(dòng)影響的大渦模擬[J].水利學(xué)報(bào), 2014, 45(2): 235-242．

LI Yao-jun, SHEN Jin-feng, YAN Hai-jun, et al. Investigation of the effects of tip-gap size on the tip-leakage flow in an axial-flow pump using LES [J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2014, 45(2): 235-242．

[7] 黎耀軍,沈金峰,劉竹青,等.軸流泵輪緣間隙非定常流動(dòng)的大渦模擬[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2013, 44(S1): 113-118．

LI Yao-jun, SHEN Jin-feng, LIU Zhu-qing, et al. Large eddy simulation of unsteady flow in tip region of axial-flow pump [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013, 44(S1): 113-118．

[8] 李忠,楊敏官,姬凱,等.軸流泵葉頂間隙空化流可視化實(shí)驗(yàn)研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2011, 32(8): 1315-1318．

LI Zhong, YANG Min-guan, JI Kai, et al. Visualization research on cavitation flow in tip clearance of axial-flow pump [J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2011, 32(8): 1315-1318．

[9] 張德勝,陳健,施衛(wèi)東,等.軸流泵葉頂泄漏渦空化的數(shù)值模擬與可視化實(shí)驗(yàn)研究[J].工程力學(xué), 2014, 31(9): 225-231．

ZHANG De-sheng, CHEN Jian, SHI Wei-dong, et al. Numerical simulation and visualization study on tip leakage vortex cavitation in an axial-flow pump [J]. Engineering Mechanics, 2014, 31(9): 225-231．

[10] 張德勝,石磊,施衛(wèi)東,等.軸流泵葉輪葉頂區(qū)空化流的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究[J].水利學(xué)報(bào),2014, 45(3): 335-342．

ZHANG De-sheng, SHI Lei, SHI Wei-dong, et al. Numerical simulation and experimental study on impeller tip region cavitation in axial flow pump [J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2014, 45(3): 335-342．

[11] TABAR M T S, POURSHARIFI Z. An experimental study of tip vortex cavitation inception in an axial flow pump [J]. World Academy of Science, Engineering and Technology, 2011, 73(1): 527-530．

[12] WU H, TAN D, MIORINI R L, et al. Three-dimensional flow structures and associated turbulence in the tip region of a waterjet pump rotor blade [J]. Experiments in fluids, 2011, 51(6): 1721-1737．

[13] WU H, SORANNA F, MICHAEL T, et al. Cavitation in the tip region of the rotor blades within a waterjet pump [C]∥ASME 2008 Fluids Engineering Division Summer Meeting collocated with the Heat Transfer, Energy Sustainability, and 3rd Energy Nanotechnology Conferences. Jacksonville, Florida, USA: American Society of Mechanical Engineers, 2008: 193-202．

[14] DREYER M, DECAIX J. Mind the gap: a new insight into the tip leakage vortex using stereo-PIV[J]. Experiments in Fluids, 2014, 55(11): 1-13．

[15] CHANG N A, YAKUSHIJI R, DOWLING D R, et al. Cavitation visualization of vorticity bridging during the merger of co-rotating line vortices [J]. Physics of Fluids (1994-present), 2007, 19(5): 058106．

[16] ZHANG De-sheng, SHI Wei-dong, VAN ESCH B P M B, et al. Numerical and experimental investigation of tip leakage vortex trajectory and dynamics in an axial flow pump [J]. Computers & Fluids, 2015, 112: 61-71．

[17] WU H, MIORINI R L, KATZ J. Measurements of the tip leakage vortex structures and turbulence in the meridional plane of an axial water-jet pump [J]. Experiments in fluids, 2011, 50(4): 989-1003．

[18] 施衛(wèi)東,邵佩佩,張德勝,等.軸流泵運(yùn)行工況和葉頂間隙對(duì)葉頂泄漏渦軌跡的影響[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào),2014,32(5): 373-377．

SHI Wei-dong, SHAO Pei-pei, ZHANG De-sheng, et al. Influence of operational condition and tip clearance size on trajectory of tip leakage vortex [J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2014, 32(5): 373-377．

[19] 張德勝,吳蘇青,施衛(wèi)東,等.軸流泵小流量工況條件下葉頂泄漏空化特性[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2013,29(22): 68-75．

ZHANG De-sheng, WU Su-qing, SHI Wei-dong, et al. Characteristics of tip leakage vortex cavitation in axial flow pump at small flow rate condition [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2013, 29(22): 68-75．

[20] TAN D Y, MIORINI R L, KELLER J, et al. Flow visualization using cavitation within blade passage of an axial waterjet pump rotor [C]∥ASME 2012 Fluids Engineering Division Summer Meeting collocated with the ASME 2012 Heat Transfer Summer Conference and the ASME 2012 10th International Conference on Nanochannels, Microchannels, and Minichannels. Rio Grande, Puerto Rico: American Society of Mechanical Engineers, 2012: 395-404．

[21] TAN D Y, LI Y C, WILKS I, et al. Experimental investigation of the role of large scale cavitating vortical structures in performance breakdown of an axial waterjet pump [J]. Journal of Fluids Engineering, 2015, 137(11): 111301-1111301-14．

Experimental analysis on characteristic of cavitation in tip region of axial flow pump impeller

ZHANG De-sheng, SHI Lei, CHEN Jian, PAN Qiang, SHI Wei-dong

(ResearchCenterofFluidMachineryEngineeringandTechnology,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China)

The high speed photography technology was used to analyze the cavitation feature in the tip region of an axial-flow pump model, in terms of hydraulic and cavitation performance of the pump model with different blade numbers, the trajectories of tip leakage vortex for various flow rates, cavitation patterns under changeable cavitation conditions and transient characteristic of tip vortex cavitation. The experimental results show that hydraulic and cavitation performance of the model pump can be improved by the appropriate increase of blade number. When the pump operates under small flow rate condition, it is more prone to generating cavitation. With the increase of flow rate, the angle between the blade suction side and tip-leakage vortex decreases, and its origin is delayed further downstream. Cloud cavitation vortices, at the trailing edge of triangle cloud cavitation, is entrained by tip-leakage vortex. Then it interacts with the shedding cavitation vortices at the aft part of vortex rope and moves towards the pressure side of neighboring blade in the direction that nearly perpendicular to the blade suction side, resulting in the blockage of flow passage and severe degradation of the performance. As a consequence of the blockage, the leakage flows in the tip clearance would decrease, bringing about the decrease of tip clearance cavitation and the width of triangle cloud cavitation connecting with the blade suction side．

axial-flow pump; high speed photography; tip leakage vortex cavitation; perpendicular caviteating vortex; triangular cloud cavitation

2015-07-25.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51479083)；江蘇省產(chǎn)學(xué)研前瞻性聯(lián)合資助項(xiàng)目(BY2015064-08)；江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(BE2015001-3)；江蘇省優(yōu)勢(shì)建設(shè)學(xué)科資助項(xiàng)目.

張德勝(1982—),男,副研究員,博導(dǎo),從事流體機(jī)械設(shè)計(jì)理論及流動(dòng)特性等研究,ORCID： 0000-0001-5600-1262. E-mail: zds@ujs.edu.cn

10.3785/j.issn.1008-973X.2016.08.022

TH 311

A

1008-973X(2016)08-1585-08

浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)網(wǎng)址： www.journals.zju.edu.cn/eng