热力学效应对非定常空化流动结构影响的实验研究

为了研究热力学效应对空化流动结构的影响,采用实验的方法研究了水温为6℃、25℃和45℃时绕水翼的非定常空化流场。利用高速全流场显示技术,观察了不同水温下绕水翼的空化流动形态,并利用数字粒子图像测速仪(DPIV)测量了其速度和涡量分布。结果表明:随着水温的升高,空穴区域减小,空穴长度减短。在相同的空化阶段,热力学效应对空泡的脱落周期影响较小,脱落周期基本不变。热力学效应对速度和涡量影响较大的区域主要集中在空化区域及其与主流区的交界面处。随着水温的升高,低速高脉动区域逐渐减小,且对应的速度值略有升高,导致速度梯度减小,湍流脉动强度降低。同时发现,涡量区域对应于流场中具有速度梯度的区域,上下涡量区域随着水温的升高减小,涡量值降低。     

水翼叶顶间隙漩涡空化流动特性研究

采用试验的方法研究了不同空化数下水翼叶顶间隙区域漩涡空化流动的发展变化。试验在闭式空化水洞中进行,采用高速全流场显示技术对空化流场进行观测,并采用图像处理技术对试验结果进行处理,提出空化涡模型,阐述了涡空化的发展规律。研究结果表明:随着空化数的降低,叶顶间隙漩涡空化的发展主要经历如下三个阶段:(I)泄露涡内部空化初生阶段:在水翼中部附近产生游离状空化,向下游运动并迅速溃灭消失。(II)叶顶间隙内部附着空化发展阶段:涡空化逐渐发展并向水翼尾缘延伸,空化涡带呈螺旋状非轴对称旋转;叶顶位置压力面中部附近开始出现片状附着型空化,并体现出强烈的非定常特性。(III)射流剪切层内部空化形成阶段:涡空化延伸至水翼下游;叶顶附着空化充分发展,充满间隙并形成射流剪切层空化,和空化涡带共同形成三角状空化结构。     

非均匀流中E779A螺旋桨空化涡流演变及压力脉动数值分析

本文对E779A螺旋桨非定常空化流动进行了数值模拟研究，通过对螺旋桨流场中的压力脉动及涡量场的分析，探讨了空化对压力脉动以及涡流场的影响。计算中采用了k-ωSST湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型。数值模拟的结果表明：预测的非定常空化形态与试验结果基本一致；周期性演变的非定常空化会诱发大幅度周期性变化的压力脉动。此外，本文使用了相对涡量输运方程进行进一步分析，结果表明，空化引起的涡量拉伸、收缩膨胀和斜压力矩会促进涡的产生和发展，从而加剧流场的不稳定性。     

混合湍流模型的参数优化与分析

在以全流场N-S方程为研究对象的空化流动数值计算中,湍流模型在很大程度上影响了对空化流动的精确预测。为了进一步完善针对非定常空化流动数值计算构建的基于密度分域的混合湍流模型（FBDCM）,利用代理模型方法对FBDCM模型参数的整体敏感度进行了分析,评价了相关经验系数的扰动对空化流场及水动力特性预测精确度的影响,建议了针对非定常空化流动计算的模型参数的具体取值。结果表明,经验系数C2通过调节FBDCM中FBM模型和DCM模型的影响比重,成为对模型预测精度影响程度最大的因素;通过代理模型优化分析确定经验系数的混合湍流模型,能更好地调整流场内的湍流粘性,精确计算了反向射流区域大尺度涡团的流动,与实验结果更为接近。     

FBM湍流模型在非定常通气超空化流动计算中的评价与应用

为了建立通气超空化流动计算的流动模型,应用二次开发技术将FBM湍流模型嵌入商业软件,分别采用FBM湍流模型以及商业软件中的标准k-ε湍流模型模拟了绕圆盘空化器的通气空化流场,并从空泡形态、流动结构和阻力特性等方面与试验结果进行了对比。结果表明,标准k-ε湍流模型过高预测了流场的湍流粘性,预测的空泡形态和实验观测结果有较大的差距;采用滤波器湍流模型计算,可以明显地减小通气空泡尾端流场的湍流黏性,精确地捕捉通气空化区域空泡脱落的非定常细节,更加准确地描述通气空化的过程,与试验结果更加接近。     

空化模型在非定常空化流动计算的应用评价与分析

文章基于试验观测数据评价了Kubota与Singhal两种空化模型在非定常云状空化流动数值模拟中的应用。采用商业软件的二次开发技术将两种空化模型引入了计算软件,针对绕Clark-Y水翼的云状空化流动进行数值计算,并与水洞试验结果进行了对比。结果表明,两种空化模型计算的云状空化阶段的流场时均速度分布以及涡量分布具有明显的不同。采用Singhal空化模型可以得到和试验观测更加相近的空化旋涡区与空泡云的旋涡分离的脱落形式。     

非均相流模型在非定常空化流动计算中的应用及评价

文章评价了非均相流模型在非定常空化流动中的应用。分别采用均相流和非均相流模型,对绕水翼的非定常空化流动进行了数值计算,并与实验结果进行了对比。结果表明:相比常用的均相流模型,由于考虑了相间作用,应用非均相流模型计算得到的结果可以较好地预测附着空穴非定常发展过程,精确捕捉到反向射流的发展和更清晰的水汽界面;非均相流模型能较好地模拟大尺度空泡团的周期性脱落,同时能更好预测流体动力特性的非定常变化。     

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。     

基于传质源项的水翼空蚀风险数值预报

随着舰船航速和吨位的不断提高及对推进效能要求的提升，船舶带空泡运行越来越常见，随之而来的空蚀危害也越来越受到人们的关注。然而，由于空蚀机理的复杂性，准确预报空蚀风险依然非常具有挑战性。本文以NACA 0009三维扭曲水翼为模型，首先采用大涡模拟方法对绕模型水翼空化流动的非定常特性进行数值模拟，并与高速摄影结果进行对比分析，结果表明，数值模拟较好地捕捉到了空化流动的非定常行为特征。然后在分析单空泡溃灭模型的基础上，提出当地压强、当地压强变化率及壁面累积能量三个预报水翼表面空蚀风险的参数。通过为三个参数确定阈值，可以获得空蚀风险区域及相对空蚀风险强度。采用基于传质源项的表达计算壁面累积能量大小，避免了差分格式误差。结果表明：预报的空蚀风险区域与试验结果吻合较好；其预报的最严重的空蚀风险区域处于片空化脱落区域，与试验结果亦吻合较好。     

涂层对空化流动特性影响的实验研究

利用实验的方法研究了涂层对绕水翼空化流动特性的影响。分别针对喷涂环氧涂层和氟碳涂层的 Clark-Y 型水翼,采用高速摄像装置观察了不同空化阶段的空化流动形态。研究结果表明：（1）在初生空化阶段,当σ=1.82时,沿环氧涂层水翼表面展向排列着初生空泡,而氟碳涂层水翼还处于无空化状态,说明相对于环氧涂层,氟碳涂层对空化现象的产生有一定的抑制作用,氟碳涂层水翼初生空化数为1.50;（2）在片状附着型阶段,当σ小于1.63时,绕环氧涂层水翼的空化先于氟碳涂层水翼发展至片状空化,绕水翼空化流动产生大量分散空泡,沿水翼表面向后运动过程中逐渐长大,在高压区溃灭后形成小空泡并以马蹄涡形式继续运动。同一空化数下,绕环氧涂层水翼空化流动的空泡长度大于氟碳涂层水翼。但随空化数降低,两者空泡长度逐渐接近,说明环氧涂层在片状空化阶段对空化的抑制作用逐渐增强;（3）σ=0.87时空化发展至云状空化阶段,空化流动伴随周期性的云状空泡的脱落,绕环氧涂层水翼的空化流动周期及无量纲空化面积均小于氟碳涂层水翼,说明涂层对空化的非定常变化也有一定的抑制作用,且环氧涂层强于氟碳涂层。     

通气空泡流中洞壁效应对空化数和压力场影响的研究

文章在均质平衡多相流模型的基础上耦合输运方程型空化模型,通过求解混合介质的RANS方程、RNG k-ε湍流输运方程以及各相的质量输运方程,采用通用CFD软件—FLUENT数值模拟了水洞中带圆盘空化器航行体模型的定常通气空泡流动,研究了圆形截面闭式空泡水洞中洞壁效应对通气空化数和压力场的影响。得到的阻塞空化数线性正比于圆盘水洞直径比,且与三维圆盘自然空泡流的势流近似解基本一致,分析了洞壁效应作用下空化流场内的压力分布特点,并根据计算结果拟合了一定适用条件下通气空泡长度、最大直径和模型阻力系数的近似公式。     

二维水翼非定常空泡流数值模拟

对非稳态空泡流现象的研究已成为当今一个研究重点。空泡非稳态脱落及其内部流动结构越来越受到研究人员的关注,但对其研究目前仍主要依靠实验手段。发展有效的数值模拟方法研究相关的机理具有重要的意义。本文从RANS方程入手,采用状态方程空化模型和计及可压缩性的SIMPLEC算法,实现了二维水翼CAV2003非定常空泡流动的数值模拟。研究了空泡从初生、发展、断裂,以及最终空泡在下游高压区溃灭的整个过程。计算表明,回射流并非完全液相的,而是汽液两相的。近壁面的回射流是导致空泡脱落的主要原因。最后,通过与第五届国际空泡会议上发表的7篇文献的对比,发现本文的计算结果是合理的。     

二维水翼型空化流的数值计算(英文)

In order to predict the effects of cavitation on a hydrofoil, the state equations of the cavitation model were combined with a linear viscous turbulent method for mixed fluids in the computational fluid dynamics (CFD) software FLUENT to simulate steady cavitating flow. At a fixed attack angle, pressure distributions and volume fractions of vapor at different cavitation numbers were simulated, and the results on foil sections agreed well with experimental data. In addition, at the various cavitation numbers, the vapor fractions at different attack angles were also predicted. The vapor region moved towards the front of the airfoil and the length of the cavity grew with increased attack angle. The results show that this method of applying FLUENT to simulate cavitation is reliable.     

自然空化流动数值模拟中参数取值影响的研究

探索了应用商业软件Fluent6.2进行自然空化计算的方法.通过设定不同气核质量分数对半球头回转体的自然局部空化作了模拟,研究了气核对自然空化计算结果的影响.通过设定边界湍流参数计算了平头回转体的自然超空泡,研究了湍流参数设定对自然空化计算结果的影响.通过对圆盘空化器的超空泡计算,得出结论:气核含量主要影响超空泡尾部形态,湍流参数主要影响空泡尺度.多个算例的计算结果与相应的实验结果以及经验公式计算结果进行了比较,符合良好.     

回转体空化研究现状及展望

针对水下高速运动回转体周围必然产生空化现象的问题,阐述了空化现象的主要负面影响,详细介绍了回转体空化实验装置、回转体水下空泡流和出入水研究进展及成果,简要分析了回转体空化研究的发展趋势。     

大攻角水下航行体自然空泡流的数值模拟研究

基于相分数输运方程型的均质平衡流空化模型,采用有限体积法研制了大型空泡流计算程序,对大攻角下运行的水下航行体三维空泡流进行了数值模拟,并与实验结果进行了对比.首次将非线性涡粘湍流模式与基于Rayleigh-Pies-set方程的TEM型空化模型相结合,建立了自然空泡流的数学模型.采用基于SIMPLE的压力-速度-密度耦合修正算法、二阶精度三时间层格式以及基于延迟修正的高阶对流TVD格式.计算模拟了0.2～0.6空化数、4°～20°攻角的不同工况,得到的三维空泡形状及压力分布与实验结果相符.研究了大攻角下航行体周向上的空泡形态分布特征,给出了多种空泡尺度和升阻系数与空化数和攻角之间的关系.通过定量分析发现,空泡的不对称性导致航行体某些部位受力集中,表明高速带空泡运动的航行体在大攻角运动中其结构将受到巨大的水动力载荷.计算还发现,大攻角下的阻力系数与空化数之间的关系和零攻角条件下刚好相反,并根据空泡的不对称性从形状阻力与粘性阻力的关系上对这种现象作出了解释.     

船后螺旋桨空泡数值预报及试验对比

文章研究了湍流模型对螺旋桨空泡计算结果的影响,结果表明常用的湍流模型均可较好地预报螺旋桨空泡形态。采用RANS求解器,结合SST k-ω湍流模型和Sauer空化模型,数值模拟了船后螺旋桨空泡。用对称面边界条件处理自由表面,滑移网格技术处理螺旋桨旋转,时间步长为1°。螺旋桨空泡模拟结果与大型循环水槽试验结果进行了对比,虽然由于计算网格稀疏的原因没能捕捉到螺旋桨梢涡空泡,但螺旋桨空泡随空间角度的动态行为与试验观察结果吻合较好。