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.     

考虑不可凝结气体的空化流模型及数值模拟

以均相流假设为基础建立了一种基于输运方程的空化流模型,该模型在质量传输方程中不仅考虑了蒸发和凝结的机理,而且考虑了不可凝结气体的影响.采用RNG k-ε湍流模型,并引入与混合密度相关的修正函数对湍流涡黏性系数进行修正.应用文中的空化流模型,对NA-CA66翼型进行了定常空化流动数值模拟,翼型吸力面的压力系数分布曲线与试验结果吻合很好.在此基础上,进一步研究了模型中不可凝结气体质量分数以及不同进口湍动能和湍流耗散率对空泡形成和发展的影响,确定了模型中不可凝结气体质量分数、进口湍动能和湍流耗散率的合理取值.应用空化流模型对非定常空化流动进行了数值模拟,数值模拟结果清晰地反映了翼型表面空化云的初生、成长、脱落和溃灭的全过程,并指出反向射流是引起空化云脱落的重要原因.非定常计算得到的斯特劳哈数与试验相吻合,进一步验证了该模型在空化流数值计算中的可靠性.     

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.     

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...     

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.     

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 Sub-grid 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...     

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.     

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。     

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。     

基于修正PANS模型的轴流泵空化特性数值模拟

为了研究轴流泵空化问题,利用CFX软件二次开发技术对湍流模型进行了修正,通过编写CCL语言实现了PANS模型中参数f_k的动态定义,使其可以瞬时地根据当地网格条件和湍流长度尺度修改其值;利用修正后的湍流模型对轴流泵全流道进行空化数值计算,得出临界汽蚀余量为5.37 m,经试验可知,实际临界汽蚀余量为5.68 m,两者误差是由试验条件及试验系统引起的,且在合理范围内,并通过拍摄空泡图验证了该湍流模型在轴流泵空化计算中的可靠性.分析数值计算结果,得出了不同工况下轴流泵的空化特性,随着汽蚀余量的减小,轴流泵叶轮内空泡体积分数变大,涡量变大,叶片表面压力和流速在空泡产生和溃灭的位置处发生相应波动;随着流量的增大,轴流泵临界汽蚀余量减小,空泡分布的整体量变大,叶轮内部湍动能值变大,湍流耗散变严重,这与空化的发生和溃灭有直接关系.     

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。     

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.     

混流式模型水轮机空化流动分析与试验研究

采用基于气泡动力学的两相流方法,对白鹤滩水电站百万千瓦级混流式模型水轮机进行定常、非定常空化流动分析,并与模型水轮机的空化试验结果进行比较.定常空化流动计算中采取降低尾水管出口绝对压力、减小装置空化系数的方式模拟模型水轮机空化试验过程,流道内压力、速度矢量、气体体积分布分析能够较好地预测水轮机流道内空化的发展特性、叶片空穴区域和尾水涡带空腔的发展过程.非定常空化流动分析能够准确地预测叶片空化和涡带空腔随时间的变化规律以及尾水压力脉动频率,其计算出的振动频率和振幅与试验结果比较相一致,结果显示尾水管空腔涡带随空化发展对压力脉动和机组不稳定运行的影响显著增大,压力脉动也对空化较为敏感,空化越为严重,压力脉动越严重,空化的产生加剧了水轮机内部流场的水力不稳定性.     

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．     

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。