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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

Cavitation erosion research in France: the state of the art

An important part of the French research program on cavitation erosion, conducted from 1980 to 1995, was devoted to pitting. Histograms of pit size have been extensively used to characterise the hydrodynamic aggressiveness of a cavitating flow. Numerous erosion tests, limited to the incubation period, were carried out on similar test sections, for different velocities, liquids, length scales, and materials. Scaling laws were discussed and two kinds of methods for prediction of the erosion rate were proposed. The first one is based upon the estimation of the aggressiveness of the prototype cavitating flow, from pitting tests on a model and the simulation of the prototype histogram of pits on an appropriate device. The second one is based upon a correlation between the advanced stage of erosion and the incubation period, consisting of a proper adimensionalization of the mass-loss curve. After several years of research and the development of special facilities, devices and techniques, more deterministic procedures for predicting cavitation erosion could now be developed, based not upon erosion tests, but upon the characterization of the aggressiveness of the cavitating flow in terms of impact loads and the analysis of the mechanical and metallurgical response of the material to successive impacts.     

代理模型在水下航行体空泡压力预示的应用研究

文章基于径向基神经网络(Radial Basis Function,RBF)和Kriging代理模型方法分别对水下垂直发射航行体表面附着空泡闭合区压力预示模型进行了研究,首先分析了影响空泡闭合区压力变化的物理因素,通过代理模型方法建立了影响因素与空泡闭合区压力最大值和压力空间分布波形之间的数学模型,形成了空泡闭合区压力分布预示方法,而后针对典型工况开展预示结果与试验数据比对,表明RBF方法和Kriging方法均能较为准确地获取空泡闭合区压力特征,在有限子样条件下Kriging代理模型对空泡闭合区压力峰值预示精度更高。     

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。     

运用代理模型方法预测潜艇结构模型的振动声辐射

基于Kriging模型和最优对称拉丁超立方体抽样方法,以简化的水下潜艇结构模型为例建立水下相对复杂结构振动声辐射计算的代理模型,可对水下潜艇结构模型进行共振频率和声功率级的预测。建立的代理模型可以在整个设计变量尺寸范围内对模型的振动声辐射进行实时预测。由计算结果得出,使用基于Kriging方法的代理模型能较准确地完成固有频率和声功率级的预测。所建立的代理模型能快速、准确地预报在整个设计变量尺寸范围内潜艇结构模型的振动声辐射。     

Bi-fidelity Kriging model for reliability analysis of the ultimate strength of stiffened panels

A method based on a Bi-fidelity Kriging model is proposed for structural reliability analysis. It is based on adding low-fidelity data samples to the model to predict high-fidelity values, thus saving computational effort. Distance Correlation develops the correlation between the low and high-fidelity functions, initially proposed to assess the correlation between two variables. The bi-fidelity Kriging response surface model's efficiency as a surrogate model will be assessed for structural reliability problems that demand high computational costs, such as nonlinear finite element analysis structural models. The efficiency assessment is performed by comparing the accuracy of the failure probability predictions based on the Subset Simulation and First-order reliability method using the Bi-fidelity Kriging model as a surrogate for the performance function. The idea is illustrated by considering a representative component of marine structures analyzed by finite element analysis to create bi-fidelity scenarios to assess structural reliability with many variables. The results show that the proposed multi-fidelity method can provide an accurate failure probability estimation with less computational cost.