一种水翼空化流动控制结构
阅读说明：本技术 一种水翼空化流动控制结构 (Hydrofoil cavitation flow control structure ) 是由 钱忠东 张少峰 薛龙建 郭志伟 于 2021-07-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种水翼空化流动控制结构,包括水翼,所述水翼吸力面中间位置设有一级凸起条纹,所述一级凸起条纹两侧倾斜设置对称分布的多条二级凸条纹,多条所述二级凸条纹沿所述一级凸起条纹长度方向等间距均匀分布。本发明通过改变一级凸起条纹和二级凸起条纹之间的夹角、截面直径之间比值以及二级凸起条纹沿水翼弦长方向的间隔分布距离等几何参数,可以有效地抑制水翼表面云空化的脱落,降低由于空化溃灭而导致的空蚀以及压力脉动,从而提高水力机械的运行效率和使用寿命。(The invention discloses a hydrofoil cavitation flow control structure which comprises a hydrofoil, wherein a primary convex stripe is arranged in the middle of a suction surface of the hydrofoil, a plurality of secondary convex stripes which are symmetrically distributed are obliquely arranged on two sides of the primary convex stripe, and the plurality of secondary convex stripes are uniformly distributed at equal intervals along the length direction of the primary convex stripe. According to the invention, by changing geometric parameters such as the included angle between the primary raised stripe and the secondary raised stripe, the ratio of the diameters of the sections, the interval distribution distance of the secondary raised stripe along the chord length direction of the hydrofoil and the like, the falling of the cloud cavitation on the surface of the hydrofoil can be effectively inhibited, and the cavitation erosion and the pressure pulsation caused by cavitation collapse are reduced, so that the operating efficiency and the service life of the hydraulic machine are improved.)
技术领域
本发明属于空化流动控制
技术领域
，具体涉及一种水翼空化流动控制结构。背景技术
空化是一种复杂的相变现象，通常在液体内局部静压低于饱和蒸气压的条件下出现，并在许多工业应用中起着破坏性作用。空化现象因其在水力机械应用中频繁出现及其对振动、噪音以及空蚀等性能的显著影响而备受关注。此外，对于水泵、诱导轮和水轮机等旋转的水力机械而言，脱落的云空化常常会阻塞叶轮流道，进而会降低机组的运行效率。因此，抑制空化现象对于提升水力机械的运行效率以及使用寿命有重要作用。与空化流动主动控制结构相比，被动控制结构因其不需要外部的能量供应而易于在全尺度设备中实施。非稳态云空化的被动控制具有很大的应用潜力，并且蕴含巨大的经济效益。因此，设计不同的空化流动被动控制结构极其重要。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种水翼空化流动控制结构，以抑制水翼表面云空化的脱落，减小由于空化溃灭对水翼表面产生的空蚀和压力脉动，提高水翼的水力性能。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种水翼空化流动控制结构，包括水翼，所述水翼吸力面中间位置设有一级凸起条纹，所述一级凸起条纹两侧倾斜设置对称分布的多条二级凸条纹，多条所述二级凸条纹沿所述一级凸起条纹长度方向等间距均匀分布。
进一步，所述一级凸条纹由一级凸起条纹截面圆沿着一级凸起条纹截面圆扫描轨迹扫描所形成的位于水翼外部的凸起部分所得；其中，一级凸起条纹截面圆扫描轨迹紧贴水翼的吸力面，一级凸起条纹截面圆的圆心位于一级凸起条纹截面圆扫描轨迹上；二级凸起条纹由二级凸起条纹截面圆沿着二级凸起条纹截面圆扫描轨迹扫描所形成的位于水翼外部的凸起部分所得；其中，二级凸起条纹截面圆扫描轨迹紧贴水翼的吸力面，二级凸起条纹截面圆的圆心位于二级凸起条纹截面圆扫描轨迹上。
进一步，所述一级凸起条纹和二级凸起条纹之间的夹角β为27°～32°。
进一步，所述一级凸起条纹截面圆直径D1与二级凸起条纹截面圆直径D2之间的比值D1/D2范围为2～4。
进一步，所述二级凸起条纹沿水翼弦长方向的间隔分布距离S为0.04C～0.06C，其中C为水翼的弦长。
进一步，所述一级凸起条纹的长度L1为0.5C～0.9C，二级凸起条纹的长度L2为0.4C～0.8C，其中C为水翼的弦长。
进一步，所述水翼既可以为水力机械的旋转叶片也可以为静止叶片。
本发明相对于现有技术取得了以下有益的技术效果：
当液体在水翼的吸力面从水翼前缘流向水翼尾缘时，液体速度增加导致吸力面局部静压降低，从而有可能会在吸力面上形成片空化。当片空化生长到一定的长度时，在片空化的尾部出现回射流。当回射流运动到水翼前缘附近时，将切断片空化的界面，导致片空化脱落形成云空化，并引起剧烈的压力脉动和空蚀。采用本发明后，水翼吸力面的一级凸起条纹和二级凸起条纹可以明显改变回射流的运动方向，并削弱回射流的动量强度，从而可以有效抑制云空化的脱落，减小压力脉动和空蚀，提高水力机械的效率和使用寿命。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为图1中A部分的放大结构示意图；
图3为图1的俯视图；
图4为图3中B部分的放大结构示意图；
图5为未安装水翼空化流动控制结构和安装空化流动控制结构的时均空化情况对比图；
图6为水翼表面上偏离中平面20mm处压力标准差对比。
图中，1-一级凸起条纹，2-二级凸起条纹，3-水翼，4-水翼前缘，5-水翼尾缘，6-一级凸起条纹截面圆，7-一级凸起条纹截面圆扫描轨迹，8-二级凸起条纹截面圆，9-二级凸起条纹截面圆扫描轨迹。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明技术方案和具体实施方式进行清楚和完整地描述。
本发明包括一级凸起条纹1、二级凸起条纹2、水翼3、水翼前缘4、水翼尾缘5、一级凸起条纹截面圆6、一级凸起条纹截面圆扫描轨迹7、二级凸起条纹截面圆8、二级凸起条纹截面圆扫描轨迹9。本实施方式提供一种水翼空化流动控制结构，包括在水翼3的吸力面分布有一级凸起条纹1和二级凸起条纹2。
如图1和2所示，一级凸起条纹截面圆扫描轨迹7紧贴水翼3的吸力面，一级凸起条纹截面圆6的圆心位于一级凸起条纹截面圆扫描轨迹7上，一级凸起条纹截面圆6沿着一级凸起条纹截面圆扫描轨迹7扫描所得的位于水翼3外部的凸起部分即为一级凸起条纹1；类似地，二级凸起条纹截面圆扫描轨迹9紧贴水翼3的吸力面，二级凸起条纹截面圆8的圆心位于二级凸起条纹截面圆扫描轨迹9上，二级凸起条纹截面圆8沿着二级凸起条纹截面圆扫描轨迹9扫描所得的位于水翼3外部的凸起部分即为二级凸起条纹2。为了减小一级凸起条纹1和二级凸起条纹2的末端对流体产生的阻力，在一级凸起条纹1和二级凸起条纹2的末端均采用钝尖头处理。
如图3和4所示，一级凸起条纹1两边的二级凸起条纹2间隔分布方式完全一致，且一级凸起条纹1位于水翼3吸力面的中间位置。
实施例1
一级凸起条纹1和二级凸起条纹2之间的夹角β为27°，一级凸起条纹截面圆6的直径D1为2.8mm，二级凸起条纹截面圆8直径D2为0.8mm，二级凸起条纹2沿水翼3弦长方向的间隔分布距离S为8mm，水翼3的弦长C为150mm。一级凸起条纹1的长度L1为116.2mm。二级凸起条纹2的长度L2为89.2mm。
将上述提供的具体实施方式进行数值模拟以此来说明本发明的可行性，图5中的(a)为未安装具体实施提供的水翼空化流动控制结构的时均空化情况，图5中的(b)为安装本实施例所提供的水翼空化流动控制结构的时均空化情况。对比图5中的(a)和(b)可见，加装本实施例所提供的水翼空化流动控制结构后不但能够显著地抑制云空化的脱落，而且抑制空化的大小。本实施例的数值模拟结果表明采用本发明提供的水翼空化流动控制结构后，能够将时均空化体积压缩为原来的47.53％。图6为水翼表面上偏离中平面20mm处压力标准差对比。从该图中可以发现安装本实施例所提供的空化流动控制结构后，水翼表面的压力标准差明显减小。这也就是说安装本实施例所提供的空化流动控制结构后能够显著地减小水翼表面的压力脉动。此外，水翼的升力系数和阻力系数的比值(升阻比)是衡量水翼水动力特性的重要的参数。数值模拟结果显示，采用本实施例所提供的水翼空化流动控制结构后，水翼的升阻比可以提高57％。这也就是说采用本发明在抑制空化的同时能够明显改善水翼的水动力特性。
实施例2
一级凸起条纹1和二级凸起条纹2之间的夹角β为32°，一级凸起条纹截面圆6的直径D1为1.9mm，二级凸起条纹截面圆8直径D2为0.8mm，二级凸起条纹2沿水翼3弦长方向的间隔分布距离S为7.9mm，水翼3的弦长C为150mm。一级凸起条纹1的长度L1为116.2mm。二级凸起条纹2的长度L2为89.2mm。
将上述提供的具体实施方式进行数值模拟以此来说明本发明的可行性，图5中的(a)为未安装水翼空化流动控制结构的时均空化情况，图5中的(c)为安装本实施例所提供的水翼空化流动控制结构的时均空化情况。对比图5中的(a)和(c)可见，加装本实施例所提供的水翼空化流动控制结构后不但能够显著地抑制云空化的脱落，而且抑制空化的大小。本实施例的数值模拟结果表明采用本发明所提供的水翼空化流动控制结构后，能够将时均空化体积压缩为原来的45.28％。图6为水翼表面上偏离中平面20mm处压力标准差对比。从该图中可以发现安装本实施例所提供的空化流动控制结构后，水翼表面的压力标准差明显减小。这也就是说安装本实施例所提供的空化流动控制结构后能够显著地减小水翼表面的压力脉动。此外，数值模拟结果显示，采用本实施例所提供的水翼空化流动控制结构后，水翼的升阻比可以提高38.73％。这也就是说采用本发明在抑制空化的同时能够明显改善水翼的水动力特性。
实施例3
一级凸起条纹1和二级凸起条纹2之间的夹角β为29°，一级凸起条纹截面圆6的直径D1为3.5mm，二级凸起条纹截面圆8直径D2为0.9mm，二级凸起条纹2沿水翼3弦长方向的间隔分布距离S为7.2mm，水翼3的弦长C为150mm。一级凸起条纹1的长度L1为116.2mm。二级凸起条纹2的长度L2为89.2mm。
将上述提供的具体实施方式进行数值模拟以此来说明本发明的可行性，图5中的(a)为未安装水翼空化流动控制结构的时均空化情况，图5中的(d)为安装本实施例所提供的水翼空化流动控制结构的时均空化情况。对比图5中的(a)和(d)可见，加装本实施例所提供的水翼空化流动控制结构后不但能够显著地抑制云空化的脱落，而且抑制空化的大小。本实施例的数值模拟结果表明采用本发明所提供的水翼空化流动控制结构后，能够将时均空化体积压缩为原来的50.43％。图6为水翼表面上偏离中平面20mm处压力标准差对比。从该图中可以发现安装本实施例所提供的空化流动控制结构后，水翼表面的压力标准差明显减小。这也就是说安装本实施例所提供的空化流动控制结构后能够显著地减小水翼表面的压力脉动。此外，数值模拟结果显示，采用本实施例所提供的水翼空化流动控制结构后，水翼的升阻比可以提高33.4％。这也就是说采用本发明在抑制空化的同时能够明显改善水翼的水动力特性。
实施例4
一级凸起条纹1和二级凸起条纹2之间的夹角β为32°，一级凸起条纹截面圆6的直径D1为3.0mm，二级凸起条纹截面圆8直径D2为0.9mm，二级凸起条纹2沿水翼3弦长方向的间隔分布距离S为7.6mm，水翼3的弦长C为150mm。一级凸起条纹1的长度L1为116.2mm。二级凸起条纹2的长度L2为89.2mm。
将上述提供的具体实施方式进行数值模拟以此来说明本发明的可行性，图5中的(a)为未安装水翼空化流动控制结构的时均空化情况，图5中的(e)为安装本实施例所提供的水翼空化流动控制结构的时均空化情况。对比图5中的(a)和(e)可见，加装本实施例所提供的水翼空化流动控制结构后不但能够显著地抑制云空化的脱落，而且抑制空化的大小。本实施例的数值模拟结果表明采用本发明所提供的水翼空化流动控制结构后，能够将时均空化体积压缩为原来的47.21％。图6为水翼表面上偏离中平面20mm处压力标准差对比。从该图中可以发现安装本实施例所提供的空化流动控制结构后，水翼表面的压力标准差明显减小。这也就是说安装本实施例所提供的空化流动控制结构后能够显著地减小水翼表面的压力脉动。此外，数值模拟结果显示，采用本实施例所提供的水翼空化流动控制结构后，水翼的升阻比可以提高45.71％。这也就是说采用本发明在抑制空化的同时能够明显改善水翼的水动力特性。
上述实施例只是用于对本发明的举例和说明，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明不局限于上述实施例，根据本发明教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围内。
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