一种湍流计算的非线性PANS模型

大多数雷诺平均湍流模型(RANS)基于线性和各项同性假设求解雷诺应力(Reynolds stress),因此对高压力梯度区、大曲率回流以及复杂的分离流动的预测误差较大.在近壁区较少网格的条件下,部分时均(PANS)方法被认为比大涡模拟(LES)获得结果更好.通过RNG k-ε湍流模型构造部分时均化模型,引入雷诺应力的非线性求解方法,提出了一种新的非线性PANS模型,并应用该非线性PANS模型分别对绕NACA0015水翼翼型流场和90°长方形截面弯管内流场进行了流动的数值模拟.结果表明:非线性PANS模型的数值结果与试验数据吻合较好,其在高压力梯度区的预测准确性高,并能准确预测流动分离诱发的三维非线性流动,证明了该方法捕捉高压力梯度、大曲率流动的有效性.该计算方法可以用来预测透平机械内部复杂的涡结构.     

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.     

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.     

基于改进粒子群算法的喷水推进泵叶片优化设计

为了改进喷水推进泵的敞水性能,利用改进粒子群优化算法优化其转子叶片.结合改进粒子群优化算法与数值仿真技术,以升阻比和压力分布为优化目标,对翼型NACA-6510进行优化.结果表明:经优化,翼型升阻比提高14.7%,压力分布中最低压力提高20%,有效地抑制了空化的发生.将优化翼型应用于喷水推进泵的水力模型设计,不改变翼型的位置,对其性能进行分析,发现其推力提高2.55%,效率提升6.38%;结合对扭矩系数和轴功率的分析,优化后喷水推进泵性能明显改善.经优化,喷水推进泵流场中叶片压力脉动明显改善,叶片最低压力值提高,延迟了空化的发生;分析叶片载荷分布,以及推力和扭矩的频域分布,发现叶片的优化未改变其基频,幅值变化与喷水推进泵的外特性参数相对应.上述优化设计有效改善了喷水推进泵的性能.     

模拟翼型热敏介质空化流的湍流模型修正与应用

为了研究湍流模型对热敏介质空化流数值模拟精度的影响,结合滤波器模型(Filter-based model,FBM)和密度修正模型(Density-corrected model,DCM),基于局部网格尺度和气液两相混合密度,修正了3种湍流模型(k-ε、RNG k-ε和SST k-ω)的湍流粘度,并分别采用原始湍流模型和修正湍流模型,以不同温度的水为介质,对NACA0015翼型进行了单相和气液两相数值模拟。通过与实验数据比较,验证了数值模拟结果的准确性。研究结果表明,修正的k-ε模型消除了湍流尺度的影响,通过修正的RNG k-ε模型计算得到的空泡发展规律与实验结果一致。修正后的RNG k-ε模型揭示了空化与温度变化的规律,反映出较好的修正效果,可为低温热敏介质空化流数值模拟提供理论参考。     

基于超大涡模拟的翼端间隙流湍流特性与损失机理分析

为探明不同翼端间隙条件下水翼端部间隙区湍流特征及间隙湍流损失机理,以NACA0009型钝尾缘水翼为研究对象,采用基于SST k-ω湍流模型的超大涡模拟方法,分析了间隙宽度τ（分别为0.1c和0.02c）和翼端倒圆半径r（分别为0,0.5%c和1%c）对间隙区涡系结构、湍流雷诺应力、湍动能和湍流损失的影响。结果表明,不同间隙条件下,间隙流动的雷诺应力分布与间隙涡系分布趋于一致,以法向正应力〈v′v′〉和展向正应力〈w′w′〉为主。大间隙下（τ=0.1c）,湍动能和雷诺应力主要分布在间隙分离涡区域,速度梯度〈v〉/z和雷诺应力〈w′w′〉主导间隙分离涡区域的湍动能生成,随翼端倒圆半径增加,间隙湍流损失因间隙区雷诺应力的显著减小而降低;小间隙下（τ=0.02c）,间隙端壁边界层在间隙泄漏涡的强卷吸作用下形成诱导涡,间隙区湍流损失主要产生于间隙泄漏涡和诱导涡区域内,随翼端倒圆半径增大而增大,其原因是主导诱导涡湍动能生成的雷诺应力〈v′v′〉与速度梯度〈v〉/y和主导间隙泄漏涡湍动能生成的〈v′w′〉与(〈v〉/z+〈w〉/y)均随翼端倒圆半径增加而增大。     

梯形振荡水翼水动力学特性的三维数值模拟研究

振荡水翼式潮流能采集系统一般通过二维水翼水动力学模型建立其关于俯仰与升沉方向两自由度的运动方程。但水翼三维模型与二维模型在诱导阻力计算上有着一定的差别,而诱导阻力又直接影响到系统的能量转化效率,因此有必要对振荡水翼三维的水动力学特性进行研究。本文根据叶素理论,以梯形翼作为三维水翼模型的代表,建立了梯形振荡翼的水动力学模型和运动方程。对该模型采用三维非结构网格和动网格技术进行数值模拟,着重探讨梯形比对其运动状态和能量转化效率的影响。结果表明:采用动网格模拟三维梯形振荡水翼的水动力学特性,得到的水翼运动状态与二维的相同;振荡水翼的诱导阻力会改变其稳定振荡频率和升沉运动幅值,直接影响了系统的能量采集效率;随着梯形比的降低,系统的能量转化效率先上升后降低,在梯形比为0.5时最大。本文的研究成果将有助于完善振荡水翼的结构设计方法。     

绕水翼加速流空化特性数值模拟

为了解翼型加速流动过程中空化特性,采用分离涡湍流模型(Detached eddy simulation,DES)和均相流空化模型对攻角为5.8°的NACA66(mod)水翼进行数值模拟,分析了空化数为0.99、对应雷诺数为8×105时绕二维水翼的非定常流动。通过模拟2种不同加速度(5 m/s2和2.5 m/s2)情况下空化演变过程和流场结构变化特征,得出了加速过程特有的变化规律:不同加速流下空泡都先在翼型的前缘产生,经过一段时间发展壮大,在翼型尾翼处分离,前缘处空泡减少,尾翼处空泡增加并向后衍生,直至破裂。空化产生于总加速时间的0.6倍左右,在总加速时间的1.12倍左右结束第一个周期。加速度越小,升力系数振荡范围越小,阻力系数振荡范围越大,空化发展过程越缓慢。     

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。     

基于环境源项法的SSTγ-Reθt转捩模型修正

边界层转捩的准确预测对于提高轴流泵内部流动计算精度具有重要意义。以轴流泵叶片的简化模型——水翼为研究对象,探索了SST γ-Re_θt转捩模型在不同雷诺数下的适用性。研究发现,在低雷诺数条件(Re_L小于1.6×10⁶)下,SST γ-Re_θt转捩模型的预测精度与试验值较为接近;在高雷诺数条件下,随着雷诺数的增大,SST γ-Re_θt转捩模型预测的边界层转捩位置相较试验值逐渐靠前,说明SST γ-Re_θt转捩模型对高雷诺数水翼边界层转捩发生的判断效果不佳。基于此,针对SST γ-Re_θt模型中输运方程采用环境源项法进行修正,引入环境湍动能和环境湍流比耗散率参数,建立了湍流比耗散率与雷诺数的关系,得到SST γ-Re_θt转捩修正模型。在Donaldson修型尾缘水翼和NACA0016水翼高雷诺数流动中验证表明,修正模型提高了水翼边界层转捩位置及其它流场参数预测的准确性。