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。     

基于主动射流方法的椭圆水翼梢涡空化抑制研究北大核心CSCD

[目的]梢涡空化会产生压力波动和流动噪声,预测梢涡空化的初生和发展过程,了解其作用机理并加以抑制是船舶螺旋桨与旋转机械亟待解决的问题。[方法]以剖面为NACA 0012翼型的椭圆水翼为研究对象,基于IDDES湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型,分别在全湿流和空泡流两种工况下对水翼梢涡及其空化现象进行模拟,分析水翼梢涡及其空化之间的相互作用特性。进一步,通过主动射流方法控制水翼梢涡空化,并对比两种开孔射流方式,即垂向射流和侧向射流的作用效果。[结果]以梢涡体积作为空泡抑制的判断标准,与无射流工况对比,垂向射流工况对空泡的抑制效果可达到8.09%;而在侧向射流工况下,射流对空泡的抑制效果更加明显,达到了10.47%。结果证明两种主动射流方式均可以有效抑制梢涡空化。[结论]通过机理分析发现,垂向射流会影响水翼梢涡入射流的流速及流向,提高梢涡湍动能的耗散项,从而降低水翼的梢涡强度;而在侧向射流工况下,射流则直接作用于梢涡,所携带的能量极大地破坏了水翼的梢涡结构,从而大大降低了梢涡空化现象的产生。     

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。     

基于矩形凹槽结构的泵喷推进器梢部流动控制效果研究

针对泵喷推进器梢部流动引起的梢隙空化和梢涡空化,在导管内壁开设一定数量的轴向矩形凹槽.基于计算流体力学软件STAR-CCM+进行数值模拟,分析凹槽结构对梢部端面压力、梢涡涡核压力、梢涡强度和水动力性能的影响.计算结果显示,矩形凹槽结构增大了梢部端面压力和梢涡涡核压力,减弱了梢涡强度,可以推迟梢隙空化和梢涡空化发生,而且...     

导管螺旋桨叶梢泄漏涡机理研究及一种推迟梢涡空化的方法

文章运用数值模拟研究了导管螺旋桨叶梢泄漏涡机理,并提供了一种推迟泄漏涡空化的方法。通过分析不同间隙时的泄漏涡的空泡数发现,随着间隙增大,最小空泡数发生了位置向下游移动,靠近桨叶吸力面,其数值减小。间隙尺寸影响梢涡空泡数的机理很复杂,可以从三个方面来解释：第一、间隙大小改变了泄漏流动速度,从而影响了泄漏涡水动力参数;第二、间隙大小影响叶梢区域压强分布,泄漏涡压强随之改变;第三、间隙大小改变了间隙内黏流的产生和发展,影响泄漏涡黏性分布。而且叶梢泄漏涡核是导管螺旋桨空泡初生位置。文中研究一种叶梢喷射流方法降低叶梢涡核压降,推迟空化初生,探究了不同喷射速度和喷射间隙高度、喷射角度对泄漏涡空泡数的影响。从模拟结果看,叶梢喷射可以降低叶梢翼型载荷,改善泄漏涡核压强分布,推迟泄漏涡空化。比较不同喷射速度,发现速度越高,越能有效提高泄漏涡核压强,速度足够高时甚至可以“吹掉”涡核;研究不同喷射间隙高度发现,间隙越高,越能有效提高泄漏涡核压强,但由于会降低了叶梢更大区域的载荷,降低了桨叶推力;喷射角度的研究表明,轻微的正向预旋对推迟叶梢空化有利。     

导管螺旋桨叶梢泄漏涡机理研究及一种推迟梢涡空化的方法（英文）

文章运用数值模拟研究了导管螺旋桨叶梢泄漏涡机理,并提供了一种推迟泄漏涡空化的方法。通过分析不同间隙时的泄漏涡的空泡数发现,随着间隙增大,最小空泡数发生了位置向下游移动,靠近桨叶吸力面,其数值减小。间隙尺寸影响梢涡空泡数的机理很复杂,可以从三个方面来解释:第一、间隙大小改变了泄漏流动速度,从而影响了泄漏涡水动力参数;第二、间隙大小影响叶梢区域压强分布,泄漏涡压强随之改变;第三、间隙大小改变了间隙内黏流的产生和发展,影响泄漏涡黏性分布。而且叶梢泄漏涡核是导管螺旋桨空泡初生位置。文中研究一种叶梢喷射流方法降低叶梢涡核压降,推迟空化初生,探究了不同喷射速度和喷射间隙高度、喷射角度对泄漏涡空泡数的影响。从模拟结果看,叶梢喷射可以降低叶梢翼型载荷,改善泄漏涡核压强分布,推迟泄漏涡空化。比较不同喷射速度,发现速度越高,越能有效提高泄漏涡核压强,速度足够高时甚至可以"吹掉"涡核;研究不同喷射间隙高度发现,间隙越高,越能有效提高泄漏涡核压强,但由于会降低了叶梢更大区域的载荷,降低了桨叶推力;喷射角度的研究表明,轻微的正向预旋对推迟叶梢空化有利。     

螺旋桨梢涡空泡初生及尺度效应研究

应用气泡动力学方程和气泡运动微分方程研究了螺旋桨梢涡空泡的初生问题,并根据简化Reyleigh-Plesset方程推导了不同尺度模型空化初生空泡数换算公式,建立了空化初生尺度换算模型,研究了螺旋桨梢涡空泡初生尺度效应问题。螺旋桨梢涡流场应用RANS方法求解,湍流模型为经过旋转和曲率修正的代数雷诺应力模型(EARSM-CC)。计算结果表明,文中建立的数值方法能够准确预报出螺旋桨梢涡流场分布;螺旋桨梢涡空泡初生空泡数计算结果高于试验观察值;应用文中建立的空化初生尺度换算模型得到的结果与数值模拟结果基本吻合,而且其结果偏于安全。     

梢涡空化研究的某些方面进展

本文概括了梢涡空化研究的最新进展，对于物理现象的理解和探索加以总结，并指出今后研究的发展方向以便于工作参考。     

三维水翼梢涡流场数值研究

针对三维水翼梢涡流场和梢涡空泡初生的问题,分别建立k-ω,DES和LES模型,对水翼的梢涡流场进行计算研究。为减少误差,在网格的处理上对梢涡流域进行局部加密,对未发生空化时梢涡内的轴向速度和切向速度进行计算,发现LES模型的计算结果与实验值吻合较好。在此基础上,讨论尾涡的卷曲对梢涡压力场的影响,提出了使用气泡静力平衡方程计算初始梢涡空泡数的方法。     

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。     

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。     

改进型泵喷推进器梢涡控制及敞水性能研究

为解决泵喷推进器梢部流动引起的梢隙空化和梢涡空化问题,设计一种转子梢部带圆环并嵌入导管内壁凹槽的改进型泵喷推进器。基于RANS方法,结合SST k-ω湍流模型,采用分块网格技术,对泵喷推进器模型进行数值模拟,通过数值模拟结果分析梢部带圆环并嵌入导管内壁凹槽结构对梢涡的控制效果以及泵喷推进敞水性能的影响。结果显示,梢部带圆环并嵌入导管内壁凹槽结构能明显抑制梢涡产生,升高转子梢部流场压力,推迟梢涡空化的发生,但敞水性能有所降低,推进效率降低最大有5.12%。     

螺旋桨梢涡及梢涡空泡数值模拟

以PPTC(Potsdam Propeller Test Case)桨为研究对象,探索了螺旋桨梢涡及梢涡空泡的数值模拟方法。通过梢涡区域的划分及网格加密,对螺旋桨无空化流场进行了数值模拟,成功捕获了梢涡;然后基于均质混合流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型对空化流场进行了数值模拟;并将计算结果与试验数据进行了广泛的比较和分析,以校验计算网格和计算方法。研究表明:无论片空泡还是梢涡空泡的计算结果均与试验观测吻合良好;同时,所得螺旋桨推力和扭矩系数也与试验值符合良好;有效地实现了梢涡捕捉及梢涡空泡模拟。同时指出,水中含气率对推力和扭矩系数的影响大于空泡形态。     

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。     

斜流中的螺旋桨空化及压力脉动计算

以PPTC(Potsdam Propeller Test Case)桨为研究对象,进行了斜流中的螺旋桨空化及其诱导的压力脉动计算。基于均质混合流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型,通过在梢涡区域进行网格加密,对梢涡空泡进行了数值模拟;计算得到的推力系数及各阶压力脉动幅值符合精度要求。研究表明:水中含气率是一个重要的计算参数,目前的算法下尚不能完全按照拖曳水池试验的实测值来设定;随着进速系数增大,推力系数减小,计算中的取值呈增大趋势;在重载时取值宜低于试验值2个量级,否则推力系数偏低且不易收敛;中载时,可以近似取试验值或略低;轻载时宜略高于试验值,否则推力系数偏高亦不易收敛。     

均流中PPTC螺旋桨梢涡空泡数值预报（英文）

文章采用Sauer空化模型,研究了网格类型和湍流模型对均流中螺旋桨梢涡空泡数值模拟的影响,研究表明,现有的空泡模型适合于螺旋桨梢涡空泡的数值模拟,其中梢涡空泡区域网格密度是关键,文中提出了一种合适的梢涡空泡区域网格加密方法。对PPTC螺旋桨全湿流和梢涡空泡进行了数值预报,螺旋桨梢涡空泡形态与试验结果进行了对比,并应用涡判据"Q准则"和"λ2准则"分析了梢涡与梢涡空泡的流动特征。全湿流中梢涡区域的涡量随周向的分布呈现单峰特性,最小涡量在涡心处,而空泡流中梢涡空泡区域的涡量随周向的分布呈现双峰特性,最小涡量不在涡心处。     

均流中PPTC螺旋桨梢涡空泡数值预报

文章采用Sauer空化模型,研究了网格类型和湍流模型对均流中螺旋桨梢涡空泡数值模拟的影响,研究表明,现有的空泡模型适合于螺旋桨梢涡空泡的数值模拟,其中梢涡空泡区域网格密度是关键,文中提出了一种合适的梢涡空泡区域网格加密方法.对PPTC螺旋桨全湿流和梢涡空泡进行了数值预报,螺旋桨梢涡空泡形态与试验结果进行了对比,并应用涡判据"Q准则"和"λ2准则"分析了梢涡与梢涡空泡的流动特征.全湿流中梢涡区域的涡量随周向的分布呈现单峰特性,最小涡量在涡心处,而空泡流中梢涡空泡区域的涡量随周向的分布呈现双峰特性,最小涡量不在涡心处.     

基于LES的螺旋桨精细流场特性分析与研究

为了研究大侧斜螺旋桨的精细流场,采用有限体积法结合大涡模拟(LES)模型,对E1619螺旋桨的速度场、压力场、涡量场和湍动能场进行不同程度的分析。模拟结果表明：大涡模拟很好地捕捉了尾流涡结构,梢涡互感合并的本质是相邻的下游梢涡将上游梢涡推向尾流轴向速度较高的内半径区域,梢涡与相邻上游梢涡的随边涡符号相同,导致他们相互吸引;近场轮毂涡比梢涡强度更高是因为轮毂涡包含了叶根涡,且其衰减速度更快;外半径湍动能极大值在梢涡处,且梢涡的不稳定现象极大地影响了外半径湍动能的变化,内半径湍动能先减小后增大,其增大原因是梢涡失稳导致轮毂涡振荡产生湍流。     

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。     

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。