绕水翼空泡脱落及其空化脉动特性

为改善水力机械抗空化性能,采用数值模拟与试验相结合的方法对NACA0015水翼非定常云空泡脱落机理进行研究,分析不同空化阶段下非定常空泡结构对翼型表面产生的空化脉动规律,探讨空化非定常过程中压力脉动产生的主要原因.结果表明:基于密度分域滤波器的湍流模型(FBDCM)能较好地模拟水翼表面空泡周期性脱落的非定常过程;在攻角为8°,空化数为1.25的工况下,空泡演化的非定常过程主要分为3个阶段,分别为附着型空泡形成与生长阶段、附着型空泡脱落与云空化形成阶段和云状空泡发展与溃灭阶段;在第二阶段结束时,空泡体积分数增至该周期内最大值;在第三阶段,由于空泡在翼型表面逐渐脱落并溃灭,翼型表面的压力水平逐渐回升,且回射流是空泡脱落的主要原因.     

含沙水流中空化促进磨损破坏机理

在对翼型试件进行空蚀、磨损及联合作用破坏研究的基础上,结合空化流场的测试及处理,研究含沙水流中水力机械过流表面空化行为促进磨损破坏的机理.对翼型表面不同位置空蚀、磨损及联合作用破坏微观形貌进行对比分析,得到了3种试验条件下微观形貌的破坏模式,确定了造成破坏模式的流场作用因素.对空化场图像进行了分析和处理,获得了翼型表面空化行为变化规律及特征.结合翼型表面破坏方式和空化场的分析,提出了在空化过程的空穴结构生长和空泡云溃灭两个阶段中,空化行为促进泥沙颗粒磨损破坏翼型试件的不同机理.在空穴结构生长阶段中,空穴结构推动颗粒加速;而在空泡云溃灭阶段,压力波或微射流则显著增大泥沙颗粒的运动速度.在两个阶段各自对颗粒速度的影响增大了联合作用的破坏能力.对翼型表面磨损及联合作用时破坏深度测量的试验结果验证了该观点.     

热力学效应对水翼云空化非定常特性的影响

为了探究热力学效应对绕翼型云状空化非定常特性的影响,应用数值模拟的方法,分别从翼型周围温度场、空泡半径、当地空化数的角度分析了不同水温下热力学效应对空化发展的影响.依据模型试验使用的物理模型建模,采用考虑热力学效应的空化模型和基于密度修正的湍流模型(DCM)对攻角α₀=8°的水翼进行非定常云状空泡的数值求解,计算得到的空泡形态与试验结果吻合度较高.空化发生时,蒸发吸热使空泡内部温度降低,水体饱和蒸汽压力下降,空化的发展被抑制,最终附着空泡区域变小、变薄.同时,随着水温的升高,空泡半径减小,空泡扩散加剧,空化区域更加模糊.由于流场温度变化会导致流体物理性质的改变,因此采用考虑温度变化的当地空化数σ(T)可以更直观地反映流场温度变化对空化发展阶段的影响.     

间隙尺寸对水翼叶顶旋涡空化流动影响的试验研究

采用试验方法对不同间隙尺寸的水翼叶顶旋涡空化流动进行研究.试验在闭式空化水洞中进行,应用高速全流场显示技术对旋涡空化形态进行观测,采用图像处理技术对结果进行处理,并对比分析间隙尺寸分别为0.5和2.0 mm的2种工况下间隙空化流动的发展规律.研究结果表明:随着空化数的减小,叶顶空化流动可以分为涡空化初生阶段、间隙内部附着空化发展阶段和剪切层空化发展阶段3个典型阶段;在涡空化初生阶段,大间隙工况下涡空化沿流动方向延伸距离大于小间隙工况;在间隙内部附着空化发展阶段,随着空化数的降低,大间隙工况下附着空化的初生和发展均领先于小间隙工况;在剪切层空化发展阶段,大间隙工况下剪切层空化形态趋于稳定时对应的空化数大于小间隙工况,并且其向下游延伸距离大于小间隙工况.     

回射流强度对水翼表面空化形态的影响

为了研究空化发生时翼型上表面的回射流对空化体形态特征和周期性演化规律的影响,建立了不同迎流角下的绕二维水翼流场模型,采用CFD数值模拟方法分析了发生空化时的流场压力、速度和相态分布特点;采用RNG k-ε湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型对二维水翼空化流动进行了非定常数值计算.分析了空化数为0.91,迎流角分别为4°,10°,12°时,当空化发生时回射流运动特征以及回射流对于空化产生和发展的影响规律,并基于回射流的速度和特征长度等因素,提出采用量纲一的特征数用于描述回射流的强度,分析发现回射流强度是空化体形态改变的重要因素,并提出了空化形态改变的判断依据.结果发现,当特征数处于不同数量级时,对应空泡体的不同周期性阶段;同时,特征数的大小对应不同空泡体类型.     

翼型间隙空化数值模拟的湍流模型比较分析

为了比较不同湍流模型对间隙泄漏空化计算的影响及间隙泄漏空化的流动特性,利用CFD方法对一侧有间隙的翼型绕流流动进行分析.选取具有不同攻角和间隙的翼型作为研究对象,并利用3种常用的湍流模型,结合修正后的空化模型,对翼型间隙泄漏涡引起的空化进行计算.计算结果表明:修正密度的RNG k-ε模型对间隙泄漏空化的形态预测及泄漏涡附近主流方向速度分布的预测更为准确;受壁面条件和翼型尾迹的影响,泄漏涡所在位置的主流方向速度在间隙为10 mm时具有较大值.小间隙条件下,翼型间隙内侧的剪切空化更为强烈,翼型上方的泄漏空化距翼型上表面更远.间隙增大至10 mm时,较高的涡中心速度使泄漏涡空化发展距离更远、溃灭更慢.翼型叶顶的圆角对间隙流动有一定的引导作用,使间隙内侧及其附近的速度分布更为均匀,并对空化的发生位置产生影响.     

三维ALE15翼型空化流动数值模拟

在均相流假设下,考虑流体压力和速度湍流脉动、不可凝结性气体的影响,采用完全空化模型计算空化流场的相变,引入密度函数对RNG k-ε湍流模型的湍流粘性系数进行修正,提出了一种空化流动的数值模型和计算方法。根据试验条件给定的参数,采用提出的数值模型和计算方法,数值模拟了空化数为2.3时ALE15翼型定常空化流动。计算得到的不同剖面速度分布与试验数据吻合较好,验证了该数值模型和计算方法的一致性。不同剖面上,远离翼型表面的速度与主流区速度接近,沿着流动方向,远离翼型表面的速度逐渐减小,这与空泡形成的阻碍有关。空泡尾部出现较大的漩涡区,靠近翼型表面的速度为负值,这与反向射流的作用有关。     

考虑热力学效应的空化模型修正及其适用性研究

为了研究热力学效应对不同温度水和低温流体空化影响,针对Zwart、Merkle和Singhal 3种典型空化模型,基于Antoine方程,考虑汽化潜热引起的饱和蒸汽压变化以及湍动能对当地汽化压强的影响,通过CFX前处理编辑分别对3种空化模型进行了修正,提出了全新的考虑热力学效应的空化模型。针对不同温度水为介质的NACA0015翼型,分别采用3种不同空化模型及修正后的空化模型进行了数值模拟。结果表明,修正后的Merkle模型更加接近实验值。基于修正后的Merkle模型,模拟了不同温度液氮为介质的HORD翼型,并与实验结果进行了对比。研究发现,考虑热力学效应时,空化区域产生温度下降、对应饱和压力下降,致使空化强度减弱,空穴长度缩短,当地空化数均大于远场空化数。相比温度为77. 64 K的工况,83. 06 K工况下的热力学敏感性更高,压降更多,空化受抑制更加明显。     

喷嘴空化模型建立与有效性试验验证

提出了一种针对喷嘴孔内空化现象的数值计算模型——喷嘴空化模型,并进行了可视化试验以验证其模型有效性,其中喷嘴空化模型考虑了液相与气相之间相变、气泡动力学、湍流扰动及不凝性气体影响等诸多因素,并采用喷孔内空化数对相变速率方程进行了修正。将基于喷嘴空化模型的数值计算结果与试验结果及基于Schnerr-Sauer模型的计算结果进行对比分析,结果显示:在2种空化模均采用默认参数的前提下,喷嘴空化模型与Schnerr-Sauer模型计算所得喷孔内空化现象变化趋势均与试验结果吻合良好,即喷嘴孔内空化现象随喷射压力提高而加强,且在发展空化至超空化流态过渡过程中空化特征长度涨幅远高于其他流态过渡情况;喷嘴空化模型计算所得空化特征长度在各流态下均与试验结果吻合良好,Schnerr-Sauer模型计算空化特征长度则低于试验结果,两者与试验值的最大误差均发生在超空化阶段,其中喷嘴空化模型计算值为试验值的92%,Schnerr-Sauer模型计算值为试验值的65%。该结果表明,所建立喷嘴空化模型可用于较为准确地模拟喷嘴孔内空化现象的变化趋势及空化特征长度。     

柴油机喷孔内空化过程与流动特性研究

为研究柴油机喷孔内燃油空化过程及其对流动能力的影响,基于试验和CFD三维仿真,保持入口压力不变,通过改变出口压力改变空化数,研究了随空化数变化,喷孔内空化过程及空化流动特性。研究结果表明:随空化数降低,喷孔内流动经历3个阶段:无空化阶段、空化发展阶段和空化饱和阶段。在不同的空化阶段,随空化数降低,空化过程和燃油的流通能力不同:无空化阶段,喷孔轴向各截面气液混合相体积分数不变,燃油流量增加,流量系数不变;空化发展阶段,空化从喷孔入口端向出口端发展,沿流向各截面气液混合相体积分数均增加,燃油流量增加,但流量系数下降;空化饱和阶段,喷孔入口端面的气液混合相体积分数首先达到稳定,沿流动方向,其他截面依次达到稳定,燃油流量达到最大并保持稳定,流量系数不断减小。     

基于Rayleigh-Plesset方程的空化模型改进与应用

为了提高Schnerr-Sauer模型预测空化流场的能力,提出了一种修正的球形空泡动力学模型,结合均相流假设建立了一种基于Rayleigh-Plesset方程的改进空化模型。联立修正后的滤波器湍流模型,分别采用改进后空化模型和Schnerr-Sauer模型对绕二维Clark-Y型水翼非定常空化流动进行计算,得到了不同空化数条件下翼型吸力面上空穴形态随时间变化规律及水动力系数特征。与已有文献的实验结果进行对比分析,结果表明:在准静态片状空化阶段,改进的空化模型计算得到的片状空穴长度基本上维持不变,在空穴尾部捕捉到明显的相间界面,与实验描述较为一致;在云状空化阶段,改进的空化模型模拟的空化区域范围更广,预测的瞬时升力系数与实验值的变化趋势吻合程度更高,且其对云空化周期性演变过程中一些流动细节的预测能力更好。     

非定常空化流动研究现状与进展

针对非定常空化流动数值计算模型,总结了不同汽液相间传输模型对模拟空穴发展和空泡脱落过程的影响,发现不同空化模型对于非定常空化流场的不同区域的预测有着明显的差异.建立了一种基于混合密度分域的空化流动计算模型,合理预测了空泡脱落时刻翼型尾部的不稳定脉动区.通过考虑空化流动的湍流多尺度与多相局部可压缩特性,提出了一种基于混合密度分域的混合湍流模型,预测结果与试验结果吻合更好.综合回顾试验与数值计算方面的研究工作,围绕空化流动特性与动力学问题,主要从非定常流场空穴形态、流动结构、空化流体动力等几个方面对非定常空化流动机理及相应研究成果进行了较为详细地评述和讨论.最后,基于非定常空化研究的发展趋势和进一步研究可能面临的突出问题,对非定常空化流动研究的发展方向进行了探讨与展望.     

绕水翼非定常空化流场数值模拟

基于Reynolds平均法,采用RNG k-ε模型及Mixture两相流模型,对绕攻角10°的ys930水翼非定常空化流动进行了数值模拟,分析了空化数分别为10,08,05时的空化流场结构、流动特性及空泡演化过程等．结果表明:云状空泡由两部分组成,前一部分为空泡主体,稳定附着于水翼吸力面上,其内部充满水蒸气,压力为汽化压力;后一部分为空泡附体,为周期性气液两相运动区域．空泡前端位置基本稳定,空泡主体长度随时间变化先增大后减小;空泡主体长度由空化数和回射流强度共同决定．空泡厚度随时间变化先增大后减小,空化数越小,空泡能达到的最大厚度越大,同时最大厚度出现位置越靠近水翼尾缘．回射流的强度与空化数成反比,空化数越小,回射流强度越大,来流与回射流的相互作用决定了空泡附体脱落的位置．     

水翼表面布置射流水孔抑制空化

为研究水翼表面布置射流水孔对空化的抑制效果,采用RNG k-ε湍流模型结合全空化模型对8°攻角NACA0066(MOD)水翼进行二维非定常空化流场计算,分析当射流比分别为0.1,0.2和0.3时的水翼表面空化流场结构及其演化过程的流动特性,得到了不同射流条件下水翼升阻力系数的变化趋势.计算结果表明:布置射流水孔可以有效阻挡回射流从翼型尾部向翼型头部的运动,使得空泡脱落现象明显减弱,从而抑制了片空化向云空化的发展,且随射流比增加,射流对回射流和云空化的抑制作用更加显著;射流的注入同时使得升力系数和阻力系数的波动幅度明显降低,有效减弱了升阻力的周期性振荡;虽然时均升力和时均阻力受射流的影响有下降趋势,但升阻比呈上升趋势,水翼升阻比由无射流孔时的6.11增加到射流比为0.3时的7.06,布置射流孔还起到了减阻的作用.     

水翼间隙非定常涡空化流动的试验和数值研究

采用高速全流场显示技术对水翼叶顶间隙区域非定常旋涡空化流动进行观测,并提出一种旋涡空化模型来对空化流动进行计算.研究结果表明,提出的空化模型可以较好地捕捉非定常泄漏涡空化.此外,基于计算结果对水翼前缘云状附着空化与间隙涡空化的相互作用进行重点分析.结果表明,附着空化的发展和脱落会引起水翼叶顶附近迎背流面压力差值的变化,从而导致叶顶区域射流剪切层空化具有显著的非定常特性;附着空化末端闭合处的压力波动会造成泄漏空化涡强度的波动;附着空化的断裂所引起的吸力面局部高压会导致泄漏空化涡强度的显著降低.     

热敏感流体空化数值模拟及流动特性分析

为描述和捕捉热敏感流体空化的流动特性,文中对Zwart-Gerber-Belamri(ZGB)空化模型进行了热力学修正.通过将ZGB模型与修正的ZGB空化模型对液氮绕二维水翼空化流动的模拟结果与Hord的试验数据进行对比. 结果表明:修正的ZGB空化模型对于热敏空化流动的模拟结果与试验数据更加吻合,特别是能够较好的预测水翼表面温度和压力的分布. 采用修正的ZGB空化模型对氟化酮绕NACA 0015三维水翼的空化流动进行研究,并将空腔脱落的演化过程与Kelly的试验数据进行对比,模拟结果可以合理预测到试验过程中三维水翼附近空腔的脱落及其演化过程,进一步证明了修正的ZGB空化模型对于不同热敏流体的适用性.最后,对热敏流体空化周期性脱落的动态特征进行了识别和分析.结果表明:Ω的等值面与脱落的空腔形状相似,这表明脱落的空腔区域中呈现大规模的旋涡运动.空腔的生长脱落使水翼壁面产生明显的温降,B因子能够有效的预测腔内温降.     

不同亚格子模型在水翼云空化数值计算中的适用性分析

为了研究不同亚格子模型在计算绕二维Clark-Y水翼非定常空化流动中的适用性,基于均相流假设及Zwart空化模型,并分别利用Wall-Adapting Local Eddy-Viscosity(WALE),Smagorinsky-Lilly,Algebraic Wall-Modeled LES Model(WMLES)及Dynamic Kinetic Energy Subgrid-Scale Model(KET)4种不同亚格子模型对控制方程组进行封闭.得到了云空化时不同亚格子模型预测的翼型升阻力系数、不同位置处流场时均速度分布、空泡形态周期性变化等非定常流动特征,并与相应试验数据进行对比.研究表明:与其他亚格子模型的预测结果相比,WALE模型模拟得到的平均升力系数与试验测量值最吻合,二者相对误差仅在1%以内,且其预测的瞬时升力系数与相应试验值也呈现较为一致的震荡规律;WALE模型能更准确地捕捉云空化阶段空泡非定常演变特征,包括翼型前缘附着型空穴增长,以及在回射流作用下片状空泡的断裂和云空泡脱落行为.基于WALE模型的计算结果,采用Q准则表达了水翼空化尾迹的旋涡结构,发现空泡的脱落及云状空泡的形成诱发了旋涡产生.