方超科研立项申请书

编号： 江苏大学学生科研项目申请书 课题名称：侧壁式压水室离心泵空化数值模拟及实验研究 申请者： 方超 所在学院： 能动学院 年级、专业： 2010级流体 指导老师： 康灿 申请日期： 2012.4 项目类别（在相应的类别上打）A、自然科学类论文（）B、发明制作类C、社会科学类论文江苏大学学生科研立项管理委员会制说 明l、申报者应在认真阅读此说明各项内容后按要求详细填写。2、表内项目填写时一律打印，此申报书可复制。3、编号由学生科研立项管理委员会统一填写。 4、申报作品有关材料请以打印件附于申请书后，申请书为A3纸双面复印中缝装订，一份，（活页部分单独装订），由所在单位审查签署意见、加盖公章后在规定时间内统一报送校团委，团委不接受个人申报。 5、在前几批大学生科研课题立项中立项，但没有结题的同学，不得申报此次大学生科研课题。6、第十一批申报的“挑战杯”重点项目不适用本申报书。7、有关其他事宜请向校团委咨询。8、联系人：杜明拴（88780040）申请者姓 名方超性 别男出生年月1991.8政治面貌团员所在学院能源与动力工程学院专业年级流体1002学 历 本科联系电话 18261956522其他联系方法申请者曾承担科研项目及完成情况课 题 名 称批准时间完成情况申请者本人近几年以来的主要研究成果（注明刊物的年、期或出版社、出版日期）合作者情况姓 名性别年龄学 历学 院专 业 班 级张宁男23研究生能动学院研11 赵华 男 20本科 能动学院 流体1002申请者所在学院分管科研的领导对该项目的基本评价 签章： 年 月 日学院意见 签章： 年 月 日编号： 江苏大学学生科研项目申请书（活页）课题名称：侧壁式压水室离心泵空化数值模拟及实验研究申请年度： 2012年 江苏大学学生科研立项管理委员会制说 明l、申报者应在认真阅读此说明各项内容后按要求详细填写。2、表内项目填写时一律打印，此申报书可复制。3、编号由学生科研立项管理委员会统一填写。 4、申报作品有关材料请以打印件附于申请书后，申请书（活页）为A3纸双面复印中缝装订，一式三份和申请书一起由所在单位在规定时间内统一报送校团委，团委不接受个人申报。 5、在活页中，一律不得出现申报者和指导教师的信息，否则取消申报资格。6、第十一批申报的“挑战杯”重点项目不适用本申报书（活页）。7、有关其他事宜请向校团委咨询。8、联系人：杜明拴（88780040） 研究课题名 称 侧壁式压水室离心泵空化数值模拟及实验研究所属类别（ A ）、A、自然科学类论文B、发明制作C、社会科学类论文起止时间2012.92013.12成果形式论文申请经费总 额1000其它经费来源一、项目的基本内容，项目研究的目的基本思路，国内外研究现状、水平和发展趋势，本研究达到的科学技术水平和预期社会经济效益1. 研究目的空化的存在一直制约着水力机械的发展，严重时甚至会破坏泵的安全运行。本文提出一种特殊形式的侧壁式压水室，通过改变隔舌的位置来降低泵内部强烈的动静干涉作用。以侧壁式压水室离心泵为研究对象，通过数值模拟和实验研究获得泵内部空化部位、空化形态、以及空化发展过程等特征，通过实验研究，得到泵的空化特性曲线，并和数值模拟结果进行对比分析从而验证空化模型及计算方法的准确性，为空化的研究提供一定的理论及试验支撑。2.国内外研究现状及发展趋势目前对离心泵空化流动研究有两种方法：数值模拟和实验分析。（1） 空化的数值模拟O.Coutier-Delgosha等人基于FINE/TURBOTM商业软件对二维圆柱型叶片离心泵内部空化流场进行了模拟。采用单相流体模型，结果显示，空化最先发生在叶片的进口背面附近，之后叶片的压力面也会迅速产生空化，随着NPSH值的降低空泡体积将会变大脱落并向流道中间发展。该模型准确地模拟了离心泵内部空化流场的分布特征，但它的局限性在于不能准确得到汽液两相中汽泡的体积分数。Richard B.Medvitz等人采用CFD软件中多相流模型对离心泵内部空化流场进行了分析。通过三维定常分析发现在低流量和低空化系数工况下在叶片背面产生体积较大的片状空泡，并且在空泡尾部会产生尾迹，在扬程下降的时刻在泵的叶片背面明显出现了空泡，这和实验研究结果是符合的。Ashok K. Singha等人建立了完全空化模型。与其它模型所不同的是，该模型着重考虑了三个因素：压力和速度的湍流脉动，空泡的形成发展及运动，主流中的非液化汽的数量。该研究中通过对水翼周围空化流场的计算，淹没圆柱体周围的空化流场计算等实例对该模型进行了检验，计算结果与实验吻合的较好。国内方面：刘宜，张文军等采用Singhal等人给出的完全空化模型和混合流体两相流模型模拟离心泵内部的空化流动。采用RNG k-湍流模型，在进口和出口边界给定k-的数值，固体壁面采用无滑移条件,近壁区域采用壁面函数处理.通过SIMPLEC算法实现速度和压力之间的耦合。通过计算获得了离心泵内部的空化特性，预测了扬程下降曲线，流道内发生空化的部位和程度。李军，刘立军等采用发展的Reynolds-Averaged Navier-Stokes方程和液相/气相界面跟踪方法的单相空化模型数值求解技术，开展了空化数对离心泵的水力性能影响特性的数值研究。采用数值求解RANS方程技术预测离心泵空化流动，该方法的优点是可以考虑空化流动的真实物理机理，同时可以处理复杂的流动区域。实验结果显示随着空化数的减小，叶轮表面附着空泡的体积、厚度、长度等都增加，从而导致离心泵扬程下降，流量减小，效率下降。（2）空化实验研究Jens Friedrichs，Gunter Kosyna采用高速数码相机对低比转速离心泵进行了研究。得到了空泡发生位置、形态、及发展趋势等结果。由于旋转叶片间空化液流的相互作用，相邻叶片间的空化形态是不相同的，并呈现相互抑制的现象。通过布置在叶片上的传感器得到了空化及非空化工况下泵振动频谱，分析得到在空化条件下出现很多频率低于轴频的压力信号。O.Coutier-Delgosha等利用可视化系统和CCD高速数码相机对二维圆柱型叶片离心泵叶轮进行了研究。利用图像处理技术得到了空化状态下叶片的三维图。从图上可以清楚的得空化最先出现在叶片吸力面靠近后盖板处。清华大学的曹树良，谭磊等分析了前置导叶对离心泵空化性能的影响，在不同流量下展开了带有前置导叶离心泵空化性能试验。得到无导叶、导叶预旋角120时离心泵的空化性能曲线。结果表明离心泵的临界空化余量随流量的增加呈近似线性增大。上海交通大学的黄建德等利用涂漆法对比转速为126 的离心泵进行了汽蚀损伤试验，弄清了不同流量下，不同进口压力及不同运行时间下叶轮汽蚀损伤发生的位置和程度。结果表明随着进口压力的降低，汽蚀损伤部位向叶片出口方向移动。（3）发展趋势目前空化理论还不成熟，因此对空化的研究主要还是从数值模拟和实验研究两方面入手。随着计算机技术的高速发展，复杂的空化计算变得可能。因此发展更加精确的空化模型可以提高空化计算结果的准确性。但模拟计算还存在着一些不足，如气液两相区的不稳定性，空化过程的传热等。国内外对泵空化问题的实验研究主要采用可视化系统，通过高速数码相机对空化区的拍摄来得到空化发生时形态，分布位置及空泡的发展溃灭过程。实验中对实验设备和图像处理技术有较高的要求。将模拟和实验研究结合起来，通过对比和互相补充，可以为空化机理的研究提供更加准确的信息。二、项目的研究思路和方法，技术路线、实验方案及可行性分析（包括过去的研究工作基础、现有条件）1研究的主要内容（1）用速度系数法设计一台模型泵。设计参数为：流量Q=48（m3/h）扬程H=8(m)转速n=1450（r/min）ns =130。（2）采用CFD软件对离心泵内部空化流场进行模拟，从而得到空化发生位置，空泡形态，并预测泵的外特性。（3）将数值模拟和实验研究相结合对离心泵空化问题进行相关分析，得到泵的空化特性，并验证数值计算方法的准确性。 2.实验设计方案（1）根据实验要求搭建闭式小型水泵试验台，如下图所示：（2）对侧壁式压水室离心泵进行外特性能量实验，得到泵的最高效率点。（3）调节进口阀门使泵工作在0.8Q工况下，用真空泵抽真空使泵发生空化。再降低泵的进口压力（每次1000pa），共做9次。绘制扬程随空化余量的下降曲线。（4）在Q和1.2Q工况下重复步骤（3）得到泵的空化特性3. 所需的主要设备、仪器和材料（1）模型离心泵一台 （ Q=48（m3/h）H=8(m) n=1450（r/min）ns =130）（2）LWGY - 80A 涡轮流量计一只（3）JSC456 转速转矩测量仪一台（4）水泵试验台目前已有（2）、（3）、（4） 三、作品的实际应用价值和现实意义（A、C类），作品的使用范围及推广前景及市场分析和经济效益预算（B类）空化问题的存在一直制约着水力机械的发展，空化的发生会引起泵内部流场变化、效率下降、扬程降低、振动等问题，严重时甚至会导致泵不能正常工作。针对离心泵内部空化流场的研究，揭示泵内部空化位置，空化形态，对泵的设计以及安全运行都有一定的理论指导作用，并为空化研究提供一定的理论基础。四、年度研究计划及预期进展最终预期研究成果，有助于理解、评审的现有技术和参考文献检索目录1.研究计划2012.9-2012.12 进行三维造型软件及CFD的学习2013.1-2012.3 进行模型泵的数值模拟研究2013.4-2013.6 进行模型泵的设计2013.7-2013.9 进行试验台的搭建及试验工作的展开2013.10-2013.12 进行论文的写作完成核心期刊论文1-2篇2. 参考文献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.125,2003,970-978.2Jens 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 Using 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 odel 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. Experimental 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 Inducer Cavitating Behavior. International Journal of Rotating Machinery 2005: 2, 135142.10 刘宜，张文军等.离心泵内空蚀流动的数值模拟. 甘肃科学学报,2008,20(3).11 李军，刘立军等.附着空化流动下离心泵水力性能数值预测.西安交通大学学报，2006, 40(3).经费预算 单位：元支出项目金额计算根据和理由论文版面费1000评委会意见评委意见： 签名： 年 月 日评委会最后意见（是否立项，如同意立项其立项金额）： 主任签名： 年 月 日学生科研课题指导委员会意见（盖章）年 月 日