空泡水筒中播核的原理及方法——法国的研究综述

近几年空化问题的研究成果表明,空泡水筒中要实现空泡状态的模拟,必须模拟空化核谱,法国空化界对气核的相似原理以及空泡水筒中气核播种的方法进行了较深入的探讨,所发展的用过饱和水产生和注入气核的方法已成为法国国各水筒播核的常规方法,本文综述了关于气核的相似问题的研究结果,并简要地介绍了法国各水筒采用的播核方法及其原理。     

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。     

空化核与空化起始

本文给出了空化核谱的函数形式及核谱对水速、局部压力等参量的依赖关系;推演得模型/原型水样中空化核群的相似关系,提出了实现模拟方法的建议;讨论并修正了空化起始的判别准则,并尝试将模糊数学工具引入空化研究并预报空化核群与压力场联合作用的方法;还分析了气核在漩涡压力场中的生长行为,指出测量来流中的核谱对漩涡空化并非必需。     

空泡水筒中螺旋桨模型试验的筒壁影响和修正

在中国船舶科学研究中心工作段直径为0.8米的水筒中,试验了三个几何相似的螺旋桨模型。用激光测速仪测量了螺旋桨前后不同截面的水筒流速分布,也测量了筒壁上的压力分布。对水筒中进行无空泡、有空泡和超空泡螺旋桨试验时,应如何进行筒壁影响的修正,提供了依据。同时还指出,水筒中螺旋桨的推力或负荷系数与水池敞水试验值相同时,其流场仍然是不同的。     

粗糙带对绕平头回转体初生空化流动特性的影响研究

为了探讨表面粗糙度对空化初生特性的作用效果,本文针对平头回转体开展了在不同粗糙带高度条件下的初生空化流动特性的数值研究。结果表明：数值计算得到的空泡形态、回转体表面速度分布以及流场中的时均涡量分布均与实验吻合较好;与无粗糙带条件相比,增加粗糙带会改变初生空穴的分布规律和近壁面的流场结构,当粗糙带高度较小时,初生空穴的形成、溃灭位置距回转体头部及近壁面较远;增设适当高度的粗糙带可以提高近壁面流场压力,降低流场内的水蒸气含量,从而抑制空化初生,减小空化流场局部区域的压力脉动。     

对转桨和单桨空泡水筒噪声测量对比试验研究

为了研究对转桨和单桨的目标特性差异,在大型空泡水筒中针对单桨和对转桨的非空泡和空泡工况进行了噪声测量试验,采集了单桨和对转桨在空化条件和非空化条件下的噪声信号。首先针对空泡水筒自身特性进行了分析研究,发现空泡水筒在1.8 kHz和3.8 kHz附近易产生混响干扰。其次,借助数字信号处理技术对测量的声信号进行谱分析,对比研究了单桨和对转桨在空化条件和非空化条件下噪声信号在频域上的差异和规律,并采用频闪仪和高速摄像机对桨叶空泡进行了观察。试验表明,在非空化条件下,相同工况时对转桨噪声级比单桨高6 d B以上,对转桨倍频程衰减值要小于单桨,对转桨和单桨的三分之一倍频程谱在1.8 kHz和3.8 kHz附近会出现峰值,单桨8 kHz附近峰值是由唱音引起;在空化条件下,相同工况时对转桨和单桨三分之一倍频程谱变化趋势基本一致,对转桨噪声级比单桨高3~20 d B。在空化和非空化条件下,对转桨的调制谱特征比单桨复杂,对转桨的调制频段要远大于单桨,对转桨前后桨一阶叶频组合的调制作用最强,而单桨一阶叶频调制作用最强。     

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。     

水筒中直线涡运动的理论探讨(英文)

本文讨论了正方形截面水筒中直线涡的运动。当涡线不位于水筒中心线上时,数值计算表明,涡线在水筒截面平面上将沿近似螺旋线的轨迹运动。若涡线接近水筒中心线,则轨迹接近圆。文章详细分析了位于水筒中心线直涡线的运动稳定性,其结论是除了零波数的扰动,在其他任何波数的扰动下,涡线总可保持在水筒中心线上。对于零波数扰动,则与不位于水筒中心线的涡线运动情况一样,将逐步偏离水筒中心。     

舵空化的精细流场及其非定常水动力性能数值计算

[目的]为深入研究舵空化时的精细流场及其非定常水动力性能的相关规律,[方法]针对某型船的桨、舵模型进行建模,采用结构化网格、SST k-ω湍流模型和流体体积(VOF)方法对舵空泡进行计算。针对舵空泡问题进行实船观测试验,将舵空泡的计算结果与实船舵空泡的观测结果进行对比,验证数值方法的可靠性。对舵空泡的周期性变化进行探讨和分析,并基于空化和非空化2种状态对3种舵角下的舵空泡进行计算。[结果]结果显示,当空化范围较小时,空化对舵力时均值的影响较小,随着空化范围的增加,空化对舵力时均值的影响明显变大,尤其是舵效显著降低;一旦发生空化,舵非定常力的脉动幅值将大幅增加,且空化范围越大,舵非定常力的脉动幅值越大。[结论]研究结果可为评估空化发生后舵的水动力性能及舵的优化设计提供技术支撑。     

气核对空化的影响—法国的研究进展

空化机理的研究表明空化核对空泡的起始与发展以至于空泡噪声都有显著的影响。近几年来，法国空化界对这一问题的研究较为深入，本文综述了在法国在这一领域所取得的进展。首先对空化核问题进行了历史回顾，然后以试验结果分析了气核的存在对空化性能的影响。最后阐述片状空泡向泡状空泡转变过程中气核的作用。     

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。     

冰阻塞参数对螺旋桨水动力性能影响试验研究

针对冰水混合环境下冰阻塞逼近效应对螺旋桨水动力性能影响,在空泡水筒开展了均流和冰阻塞条件下的螺旋桨模型水动力性能试验,测试了冰桨轴向、垂向间距等冰阻塞参数对不同运行工况的螺旋桨模型水动力性能影响。试验结果表明,冰阻塞物一方面改变流场特征直接影响螺旋桨模型推力和扭矩,另一方面改变桨叶的空泡特性进而影响水动力性能。在无空化状态,随着垂向和轴向阻塞逼近程度的加深,在冰阻塞环境螺旋桨模型推力系数相比于均流可产生40%和20%的增加;而在桨叶严重空泡的重载状态,螺旋桨水动力随冰桨间距的变化不明显,桨叶的空泡效应减缓了冰阻塞效应的影响程度。     

基于CFD方法的螺旋桨试验水筒的筒壁影响

随着CFD数值分析技术的发展,运用其模拟仿真螺旋桨水动力具有快速准确的预报能力.螺旋桨在空泡水筒或简易循环闭路水筒做试验时,都会受到筒壁的影响,以致在全大气压的水筒环境下测得的水动力系数与水池不一致.为此,研究螺旋桨直径和其相对应的水简直径之间的关系是很有必要的.螺旋桨置于水筒之中,采用DTMB P4119标准桨,不断...     

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。     

低比转速喷水推进轴流泵空化性能研究

基于低比转速喷水推进轴流泵空化性能重要性的分析,对所设计的低比转速喷水推进轴流泵水力模型在设计流量下进行CFD空化模拟,分析空化特性和空化发生、发展过程,并通过模型空化试验比较验证数值模拟结果。比较表明:设计流量下,模型试验与数值模拟结果相吻合。研究结果为低比转速喷水推进轴流泵空化性能的深入研究提供参考。     

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。     

喷水推进器空化监测技术研究

由于喷水推进船良好的快速性、机动性、高效率和低噪声,喷水推进技术在现代舰船上的应用越来越广泛.但喷水推进器在运行过程中容易进入空化区,影响其推进性能和使用寿命.建立空化监测系统是目前解决这一问题最有效的方法.喷水推进器的空化特性同螺旋桨的有较大差异,目前尚未进行深入的研究.本文分析了喷水推进器的空化特性,阐述了其空化监测的机理,建立了空化监测系统,对喷水推进器空化监测技术进行了研究.空化监测的关键在于选择合适的空化监测参数,选取适当的测量位置,以及采用有效的信号分析处理方法来进行空化特征的提取.     

水筒中直线涡运动的理论探讨

本文讨论了正方形截面水筒中直线涡的运动。当涡线不位于水筒的轴中心线上时,数值计算指出,它在水筒横截面上的运动轨迹为近似螺旋线。若直线涡位于水简轴中心线附近,则轨迹为一个近似圆。本文详细讨论了水筒轴中心线的直线涡的运动稳定性,其结论是在除零波数外的任意波数扰动下,该涡线总能保持在轴中心线上,运动是稳定的。零波数扰动情况与不在水筒轴中心线上的直线涡运动情况一样,将逐渐偏离水筒轴中心线。     

空化模型中的相变系数对不同头型的适用性研究

应用基于CFD的数值计算方法,研究了Zwart空化模型中的相变系数对不同头型圆柱空化问题的适用性。通过计算流线型和非流线型圆柱在不同空化数下的表面压力系数,并与实验值对比,得到不同头型圆柱空化计算时相变系数的设定规律。研究结果表明,对于流线头型的圆柱,流动分离作用很弱,应当增大蒸发系数和冷凝系数;对于非流线头型的圆柱,流动分离作用强烈,数值计算结果对相变系数变化的敏感性较低,只需保证蒸发系数和冷凝系数的数量级关系即可较准确模拟空化现象。     

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。