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。     

绕水翼非定常空化流动的涡动力学分析

文章采用数值方法对绕水翼的非定常空化流动进行了流动计算,并采用涡动力学方法对非定常空化流场特性进行了分析。计算中,采用基于当地涡旋修正的湍流模型封闭控制方程,通过实验对该计算结果进行验证;采用涡量法分析了空化的发生和发展对涡量输运过程的影响。结果表明:基于当地涡旋修正的湍流模型可以准确地模拟水翼周围非定常空化流场结构;水翼空化流场具有强烈的非定常特性,空化的发展和流场中的涡结构有着紧密的联系;反向射流的作用会导致附着空穴尾缘附近速度梯度的非定常变化,是导致涡量产生和消失的重要因素;空化区域内部水气两相的质量交换会导致流场内体积变化率的变化,使得空化区域内部流体的非正压性显著增强,上述两者导致空化区域内部的涡量分布呈现强烈的非定常特性;空化现象引起的水气两相之间的相互转换以及对湍流的作用都是影响涡结构空间分布的重要因素。     

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。     

螺旋桨叶截面空化云仿真研究

本文基于雷诺平均模拟方程(RANS方程),采用均相流空化模型和RNG k-ε湍流模型,对螺旋桨叶截面非定常空泡流动进行数值模拟。对局部层状空泡从初生、发展、断裂以及在下游高压区溃灭的周期性过程进行仿真,并将仿真结果与实验现象进行对比,对各个阶段的空化面积和空化程度进行数值统计分析。结果表明:在螺旋桨叶截面周期性云状空化流场中,90%以上高度空化区域和30%以下低度空化区域的面积变化显著,而其他空化程度的区域面积基本稳定。     

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。     

基于均相流输运模型的二维水翼空化模拟

基于均相流输运模型对NACA661-012型水翼进行了空化数值模拟,计算了不同空化数K和不同攻角α下的升力系数与阻力系数.从流场、压力场和边界层的变化分析了空化的产生发展对水翼升力和阻力的影响.当攻角α大于8°以后,空化流动的不稳定性增强,空泡呈现出周期性的生长溃灭,并伴有升力系数和阻力系数的周期性波动.计算结果与实验进行了对比,结果吻合较好.     

螺旋桨非定常片空泡CFD数值方法研究

应用雷诺平均的N-S方程结合改进VOF空化模型模拟了螺旋桨非定常片空泡。应用全六面体网格对螺旋桨模型计算域进行了网格划分,数值计算中通过计算螺旋桨敞水性能对计算方法进行了验证。应用SST-SAS湍流模型及修正的VOF空化模型模拟了HG01螺旋桨非定常片空泡,该数值方法对螺旋桨片空泡的发展过程和形状与实验结果吻合良好。     

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。     

基于欧拉多相流模型的空泡数值模拟

采用欧拉多相流模型模拟均匀来流绕圆盘、圆锥形空化器流动时所引发的自然空化现象,将数值模拟结果与实验、经验公式计算结果进行对比,确认欧拉多相流模型的有效性,数值结果与实验、经验公式结果吻合度高,证明考虑相间作用力的欧拉多相流模型能够较好地模拟空化现象。     

不同流体介质的空化热力学效应

为了分析不同流体介质的空化热力学效应,本文采用数值模拟的方法计算了不同温度的水体、液氮和液氢的空化流动.计算基于均相流模型,采用能较好描述流场非定常特性的FBM湍流模型和考虑热力学效应的修正空化模型,并在能量方程源项中考虑了空化的影响,数值模型和随温度不断更新的物质属性均通过软件二次开发引入.结果表明:对三种不同的流体介质水体、液氮和液氢,空化热力学效应影响依次增强,在同一流体介质中,流体介质的工作温度越接近物质临界点,空化的热力学效应越明显.热力学效应明显主要表现在:空穴长度的缩短程度更大,蒸汽含量降低较多,压降和温降增大.同时发现,流体介质的物质属性决定了热力学效应的影响程度,物质属性主要影响参数包括饱和蒸汽压、液汽密度比和热传导系数,饱和蒸汽压变化梯度增大,液汽密度比和热传导系数变低,上述三种物质属性的变化趋势,导致了该流体介质或者该工作温度下的空化热力学效应较强.     

超空泡航行体楔形舵片流体动力学特性数值模拟

舵片是保证超空泡航行体运动稳定性和控制航行弹道的重要部分。文章基于均质平衡流模型和SST(Shear Stress Transport)湍流模型,计算了单独舵片的流体动力特性,并与试验数据进行了对比,结果符合较好,验证了计算模型的有效性。基于此方法,计算了单独舵片发生空化后在不同操舵状态下的非定常流体动力变化。结果表明,在攻角相同时,操舵状态下舵片的非定常升力系数和定常结果差别不大,而非定常阻力系数大于定常结果,并且操舵速度越快,阻力系数越大。另外计算了舵片发生空化后的流体动力系数,结果显示在攻角相同时,舵片的阻力系数和升力系数均小于其在全湿状态下的结果;在空化状态下,舵片升力系数的斜率小于全湿状态,并且舵片升力系数的斜率是变化的,存在某临界攻角,攻角大于此临界值时,升力系数的斜率减小,而此临界攻角恰好为舵片的吸力面刚刚出现空化时的攻角;操舵状态下舵片的阻力系数和升力系数的变化规律与定常结果一致,但是数值偏小。     

Level set方法在空化流动计算中的应用

文章将Level set方法应用于自然空化与通气空化流动计算中,通过耦合入相间的质量传输方程,建立了一个用于描述气、汽、液多相空化流动的数值模拟方法,分别对绕圆头回转体和Clark-Y型水翼的自然空化流动和绕圆盘的通气空化流动进行了数值模拟研究,并与实验结果进行了对比,研究结果表明:相较常用的多相流模型(mixture model),Lev-el set方法通过时间和空间上的压缩离散方案,减小了相间界面的扩散,准确地捕捉到了相间的界面,可以有效地运用于空化多相流动。     

液氮绕水翼低温空化流数值模拟(英文)

为研究低温空化流场特性,考虑液氮的热力学参数和空化时两相间的能量交换,利用数值模拟方法对液氮绕水翼低温空化特性进行了分析。基于均质多相流模型,采用Zwart空化模型对液氮绕水翼低温空化流进行稳态计算,修正了Zwart空化模型中蒸发和冷凝系数,给出了水翼表面压力、温度及空化强度的分布。数值结果同采用Schneer-Sauer空化模型计算的结果进行了比较。水翼表面压力和温度的数值结果与Hord实验数据吻合较好,验证了数值模拟的有效性。     

Simulation of Liquid Nitrogen around Hydrofoil Cavitation Flow

为研究低温空化流场特性,考虑液氮的热力学参数和空化时两相间的能量交换,利用数值模拟方法对液氮绕水翼低温空化特性进行了分析.基于均质多相流模型,采用Zwart空化模型对液氮绕水翼低温空化流进行稳态计算,修正了Zwart空化模型中蒸发和冷凝系数,给出了水翼表面压力、温度及空化强度的分布.数值结果同采用Schneer-Sauer空化模型计算的结果进行了比较.水翼表面压力和温度的数值结果与Hord实验数据吻合较好,验证了数值模拟的有效性.     

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。     

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。     

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、RNGk-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.     

半悬挂舵空化及其对非定常力的影响研究

为深入研究空化后半悬挂舵非定常水动力性能的相关规律,采用结构化网格、DES湍流模型和VOF方法对某大型舰船的半悬挂舵空泡进行计算。探讨和分析舵空泡的周期性变化,同时简要分析半悬挂舵的间隙空化及端部空化产生的原因。基于空化和非空化2种状态对3个不同舵角下的舵空泡进行计算,总结了舵横向力、舵轴扭矩等非定常力的规律。结果表明：当空化区域较小时,空化对舵非定常力几乎没有影响,随着空化区域的增大,舵效显著降低;空化发生后,舵非定常力的脉动幅值将急剧增大,且空化区域越大,舵非定常力的脉动幅值越大。该研究结果可为评估空化状态下半悬挂舵的水动力性能及对舵进行优化设计提供技术支撑。     

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。