Computational investigation of cavitation on a semi-spade rudder

This article examines noncavitating and cavitating flow fields around a semi-spade rudder in the ship wake and propeller slipstream based on a computational method. The article seeks to explain the erosion that can occur around the gap due to cavitation; such erosion has been reported to occur while a ship is at sea. Another area of research is the effect of the gap size and shape. The effects of erosion-evading devices such as elongated gap edges, an increased edge radius, flow control projections, and vertical and horizontal guide plates were also studied.     

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。     

基于翼剖面改型的空化抑制

为提高水翼抗空化的性能,对二维翼型的吸力面外形进行适当改造。首先通过数值计算对稳态无空化流场和稳态空化流场进行模拟,计算所得的吸力面压力系数与实验值吻合良好,验证了模型的可行性。在此基础上,采取基于阻碍回射流从而控制空化的思路,在翼型吸力面上设置微小方形凸起,并提出设置拱弧的新方案。通过对原翼型及两种改型的空化流场瞬态模拟,对比了不同时刻各模型气体体积分数云图所反映出的翼面空化程度差异。计算结果验证了阻流体对云状空化的抑制作用,同时表明设置拱弧阻流体的效果比方形阻流体好。     

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。     

船桨干扰定常空化性能数值模拟

文章采用CFD技术计算了船桨干扰定常空化性能。首先计算了不同空化数下的NACA66(MOD)水翼和DTRC4381螺旋桨的定常空化性能,同时预报了KCS船的伴流场、阻力性能和船体表面压力分布。为了验证计算船后螺旋桨空化流的可行性,文中对KCS船和KP505螺旋桨进行了整体考虑,并计算了不同空化数下的船后螺旋桨的空化覆盖面积。计算表明,文中采用的计算方法合理,计算结果与试验结果吻合。     

Large eddy simulation of cavitation development on highly skewed propellers

This paper deals with numerical simulations of the cavitating flow around two highly skewed propellers operating in open water and mounted on an inclined shaft. The aim of the study is to check the ability of our numerical method in distinguishing the variation in flow features resulting from different blade designs. Moreover, a secondary aim is also to improve the knowledge about the physics that control the growth and collapse of cavitation, and hence also the generation of cavitation noise and erosion on this type of propellers. The investigation is based on incompressible large eddy simulation (LES) in combination with a volume-of-fluid implementation to represent the two phases of liquid and vapour, and a transport equation-based method for the mass transfer between the phases. High-speed video recordings from experiments were made available for comparison. The simulations demonstrate that the current method makes it possible to analyse the main difference in flow features caused by modest design alternation. Furthermore, with suitable grid resolution, LES is demonstrated to be capable of capturing the mechanisms that are important in the cavitation development, and that numerical simulation is a reliable supplement to experiments in advanced propeller design.     

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。     

局部空泡水翼性能研究

空泡对水翼的水动力特性具有重要的影响,使用数值模拟方法研究空泡特性及其机理有着广泛的工程应用价值。对二维NACA翼型的模拟结果表明,基于势流理论的边界元积分方法适用于局部空泡水翼的性能研究,翼型几何参数变化对空泡长度和升力性能均有显著影响,在水翼设计与使用过程中必须对空泡发生与变化给予充分关注。     

螺旋桨设计参数对桨叶片空泡性能的影响分析

文章基于扰动速度势面元法建立了在均流条件下螺旋桨桨叶片空泡数值预报方法,空泡模型采用压力恢复闭合模型。通过对5600TEU集装箱船螺旋桨空泡的数值预报,以及与试验结果的比较,验证了该方法的可行性。该方法能够较为快速准确地预报螺旋桨桨叶片空泡,可用于分析参数对螺旋桨空泡性能的影响,为抑制螺旋桨空化设计提供基础。在此基础上重点分析了桨叶侧斜、纵倾以及桨叶剖面型式对螺旋桨空泡性能的影响,计算表明加大侧斜能够减少空泡面积,空泡向外半径偏移;桨叶剖面的设计对空泡性能影响较大,优化设计桨叶剖面可以有效减少空泡面积,提高螺旋桨抗空化能力;纵倾向压力面弯曲的分布形式可以改善梢部的压力分布,减少叶梢附近空泡长度,从而可望减少由空泡引起的脉动压力。     

普通螺旋桨和大侧斜螺旋桨在两个特定流场中的脉动压力试验研究

本研究通过普通螺旋桨(无侧斜)和大侧斜螺旋桨在空泡水洞两个特定流场(对称非均匀流场和不对称非均匀流场)中诱导的脉动压力试验测量,探讨其不同的脉动压力特性和侧针的减振效果;介绍了为测量脉动压力而建立的传感器和数据采集处理系统。这一根据高速采集储存数据、慢速传送微机处理思想建立起来的Molti-Function系统,有别于通常采用的由高速处理机和磁带记录机组成的脉动压力数据采集处理系统,具有数据采样速度快,无信号失真等优点。本研究发现,大侧斜桨具有降低螺旋桨空化诱导的脉动压力幅值作用,但这一作用的大小与空化数和流场特徵有关;无论是普通桨还是大側斜桨,在不均匀流场中诱导的脉动压力均具如下特徵,即与一阶叶频谐调分量相比,在较大空化数情况,二阶以上叶频谐调分量明显丰富,而在较小空化数情况,则明显变小。本研究认为,在应用简化网格模拟得到的不均匀流场中进行螺旋桨脉动压力测量的比较试验,可克服模拟流场差异带来的测量结果误差,有助于提高实验室的脉动压力测试技术水平。     

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.     

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.     

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。     

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。     

螺旋桨片状空泡的CFD分析

基于RANS求解器采用非结构化网格对螺旋桨敞水性能和空泡性能进行了数值模拟,主要研究了不可压缩性气体质量分数对螺旋桨片空泡预报结果的影响,空泡模型采用基于输运方程的完整空化模型,预报的敞水性能与试验值吻合较好,预报的空泡形态与文献结果及公开发表的试验结果相一致。这表明,用该方法预报螺旋桨空化性能是可行的,为以后进一步研究螺旋桨空泡打下了基础。     

系列头体的空泡试验研究：初生空泡与发展空泡形态

学了掌握空泡形态及空泡水动力特征，为工程设计提供依据，本文对五个典型头体在不同空泡数，不同攻角条件下肩空泡形态特征进行了水洞试验研究，建立了平头系列轴对称体在不同攻角条件下的初生空泡数和发展空泡特征几何参数的工程计算公式。     

螺旋桨空泡体积测量

螺旋桨背片空泡分布形态、变化趋势、面积、厚度、体积变化率对研究桨叶剥蚀、螺旋桨噪声及激振力具有重要的意义.通过双目立体视觉的计算机技术,利用两台不同角度的摄像机采集同一时刻的桨叶背片空泡,计算空间点在两幅图像中的视差,获得该点的三维坐标值,得到螺旋桨空泡面积和体积信息.通过连续采集空泡图像信息并实时处理可进一步得到螺旋桨背片空泡发展趋势和体积变化率信息,为解决降低螺旋桨激振力和噪声、桨叶剥蚀等问题提供了重要的技术检测手段,有助于螺旋桨设计者提供更优秀的螺旋桨方案.     

泡状流中空化与激波相互作用的数值模拟

文章针对定常可压缩泡状流中回转体的空化绕流进行了数值模拟,在给定来流速度和环境压力的条件下,对不同含气率下的空化与激波的相互作用进行了研究。首先,对含气率为0的情形进行计算并同试验数据进行对比,证明所采用的计算模型是可信的。其次,改变流场含气率从0至0.5进行计算,结果表明,随着含气率的增大,流场的可压缩性随之增强,体现为数值模拟得到了回转体绕流流场的3种波系,包括回转体头部处的脱体激波、分离面处的膨胀波和空泡尾端的斜激波。而空化与激波的相互作用则体现为:头激波削弱了空化效应,使得空化区域减小;由于空泡外形的影响,使得空泡尾端出现了斜激波;含气率超过一定值,空泡已经无法闭合在物面上,而是闭合在空泡尾端的激波面上,体现为空泡尾端壁面逆压梯度趋于平缓。计算结果揭示了泡状流中空化与激波相互作用的新的物理现象。     

Numerical analysis of cavitating propeller and pressure fluctuation on ship stern using a simple surface panel method “SQCM”

This paper presents a calculation method for the pressure fluctuation induced by a cavitating propeller. This method consists of two steps: the first step is the calculation of propeller sheet cavitation, and the second step is the calculation of pressure fluctuation on the ship stern. It is for practicality that we divide the method into two steps but do not calculate these steps simultaneously. This method is based on a simple surface panel method “SQCM” which satisfies the Kutta condition easily. The SQCM consists of Hess and Smith type source panels on the propeller or cavity surface and discrete vortices on the camber surface according to Lan’s QCM (quasi-continuous vortex lattice method). In the first step, the cavity shape is solved by the boundary condition based on the free streamline theory. In order to get the accurate cavity shape near the tip of the propeller blade, the cross flow component is taken into consideration on the boundary condition. In the second step, we calculate the cavitating propeller and the hull surface flow simultaneously so as to calculate the pressure fluctuation including the interaction between the propeller and the hull. At that time, the cavity shape is changed at each time step using the calculated cavity shape gotten by the first step. Qualitative agreements are obtained between the calculated results and the experimental data regarding cavity shape, cavity volume and low order frequency components of the pressure fluctuation induced by the cavitating propeller.     

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。