空化模型在低温流体空化流动三维计算中的应用与评价

为评价不同空化模型对低温流体空化过程流场特性预测的适用性,文章通过对CFX软件的二次开发,将Kubota、Merkle和Kunz三种空化模型和液氮、液氢随温度变化的物性参数引入到CFX求解代码中,同时在求解的能量方程中添加汽化潜热影响,从而在考虑热力学效应条件下,开展了液氮绕水翼空化流动和尖顶拱在液氢中空化流动的三维数值模拟研究,并将计算结果与试验数据进行对比,实现了对不同空化模型适用性的评价。结果表明:三种空化模型计算的空化区域液相分布特性不同,空泡长度和厚度有差别;由于空化模型方程源相体现的质量传输机理不同,导致热力学效应下空化区域压强分布和温降存在差异;Kubota空化模型可有效预测液氮空化流场压强分布,Merkle模型可较好地反映空化区域温降,Kunz模型计算的结果与试验数据差别最大。     

液氮绕水翼低温空化三维数值模拟计算

为探究液氮空化特性,建立有效预测低温流体空化流动数值计算方法,通过CEL语言将空化模型和液氮随温度变化的物理属性引入到CFX求解代码中,开展了液氮绕水翼空化流动的三维数值模拟研究,研究了低温环境下空化流动特性,并对建立的数值方法和空化模型中蒸发系数和凝结系数的适用性进行了评价。结果表明：低温流体在空化过程中表现出的热力学效应对水翼表面的压力和温度分布有明显影响,二者曲线都呈梯度变化;修正系数的数值计算结果与试验数据更接近;考虑汽化潜热影响、修正系数的空化模型对低温流体空化具有较强的适用性。     

导管螺旋桨水动力特性仿真分析

为探究导管对螺旋桨水动力特性的影响机理,该文基于RANS方法选用SST k-ω湍流模型,对有无导管、导管与螺旋桨是否共轴转动、不同截面形状导管的设计方案进行数值计算,对比分析了不同设计方案下流场结构特征、螺旋桨水动力特性的差异。计算结果表明：导管的存在能够降低螺旋桨净推力而增大总推力,且能够降低扭矩;导管随螺旋桨共同转动,会使扭矩大幅增加;导管的截面形状对螺旋桨水动力特性的影响主要集中在截面厚度和尾缘收缩率上,厚度变化导致前缘段线形变化,对净推力影响较大;尾缘收缩率会导致尾缘段线形变化,对推力影响较小,反而会使扭矩增大。基于以上结果,初步明确了导管对螺旋桨水动力特性的影响规律,为后续导管推进器的设计提供了支撑。     

基于一方程转捩模型的狭缝冲击射流传热数值模拟

[目的]由于冲击射流现象涉及层流—湍流转捩、极强的逆压梯度和分离流问题,导致传统湍流模型无法对其准确预测。为了研究湍流模型在多种条件下的鲁棒性,[方法]采用基于转捩机理的一方程转捩模型,预测以局部努塞尔数(Nu)来衡量的狭缝冲击射流的传热特征。在冲击距离范围为4≤H/B≤9.2时,对稳态和脉动冲击射流传热问题进行研究。[结果]结果表明,在H/B=4时,一方程转捩模型准确地捕捉了受转捩影响的局部努塞尔数第2峰值的大小和位置;在H/B=9.2时,该模型避免了大多数传统雷诺时均模型(RANS)中出现的假第2峰值,获得了更符合实验结果的传热分布规律。[结论]在较大的H/B范围内,一方程转捩模型能够准确预测狭缝冲击射流的传热分布,表现出良好的鲁棒性。     

DES模型在开放腔体圆柱壳入水空泡模拟计算中的应用及评价

基于混合介质雷诺平均N-S方程,对开放空腔圆柱壳垂直入水运动过程开展了数值研究,得到了压力场、速度场分布,空泡波动、闭合特征,空腔气体涨缩规律,以及流体动力变化规律,并分析了空腔结构在入水运动过程中对流场结构和流体动力的影响。结果表明:液体随气体涨缩同步进出开放端;开放端局部形成波动的压力源和周期性的压力场、速度场分布;入水空泡呈现波动形态,其扩展程度与开放端液体流速相关;空泡内形成气体漩涡,随空腔涨缩往返进出空泡,对空泡闭合具有抑制作用;流体动力呈波动变化规律,频率与气体涨缩频率一致,幅值与气体涨缩程度成正比。开放空腔结构在入水过程中空腔内气体发生涨缩运动,对流场结构和流体动力产生周期性扰动作用,在一定程度上可以减缓冲击、维持空泡及运动的稳定性。