非定常空化流动涡旋特性分析

基于试验和数值结果对三维非定常空化流动的涡旋特性进行分析.试验采用高速摄像系统对三维空穴发展过程进行观测.数值计算中采用混合密度分域的湍流模型和基于相间质量传输的空化模型.与试验结果对比,表明该计算方法能够准确捕捉云状空化的非定常过程：附着空穴的初生和发展,附着空穴的断裂,以及大尺度脱落空泡团的形成.基于计算结果,采用涡量分析法并引入复杂流场中的涡旋结构判据研究了空化现象的发生和发展对涡量输运过程的影响.结果表明：反向射流的形成和发展导致速度梯度的变化,从而引起涡量产生项的非定常变化;气液两相的相互转换会导致流场内体积变化率以及密度梯度的变化,同样引起体积变化率项和斜压矩项的非定常变化.采用速度梯度张量不变量Q和R分析空化现象的涡旋特性可以发现：在水翼前端附着空穴区域,旋转效应大于形变效应;脱落空泡位置附近,旋转效应和形变效应共同支配云状空泡运动.     

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。     

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.     

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.     

高温条件下热力学效应对空化的影响

为了研究水泵空化性能在高温与常温下的差异性,揭示热力学效应对空化发展的影响,应用计算流体动力学软件Fluent,基于质量输运方程和Singhal的全空化模型,并通过导入UDF程序,在能量方程中添加了考虑热力学效应的计算源项,并加入空化区饱和压力随温度的变化函数,以NACA0066(MOD)翼型为研究对象,针对不同的介质温度,开展了翼型表面空化场的流动分析.数值计算结果表明:空化发生需要从周围环境吸收汽化潜热,造成空化区翼型表面温度的变化,在介质温度分别为293,373,473 K时,翼型表面空化区相对于周围环境温降分别为0.13,0.84,13.00 K;流体温度越高,空化区的温降越大;空化区由于温度降低引起当地饱和蒸汽压力降低,使空化区长度明显变短,进一步抑制了空化的发展.     

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.     

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．     

超小型叶栅空化流场试验研究

采用弦长为14 mm的超小型Clark-Y叶栅,进行了多种空化数下的空化试验以探讨超小尺度下的空化机理和空化尺度效应。通过试验结果的分析,发现随着空化数降低,超小型叶栅的空化发展可分为空化初生、片状空化、云状空化、超空化几个阶段。通过与超小型翼型空化流场比较,发现由于受翼型间相互作用的影响,栅中翼型的空穴形态在各个空化阶段均表现为薄且狭长,空化发展相对滞后。     

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。     

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.     

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.     

黏性液体中空泡动力学的数值模拟研究

理论分析和数值计算发现空泡在其最小泡半径附近时,空泡周围存在一个很薄的高压区域.该区域的压强对黏性的影响已不可忽略.结合黏性与压强的关系对原空泡动力学方程做了相应修正并完成了数值模拟工作.研究发现,修正模型较原有模型更加接近实验值,同时总结了黏性对空泡动力学的影响规律,并得出了与已报道文献一致的结论.     

缩放型喷嘴空化射流空泡云演化规律的试验研究

基于高速摄影技术对缩放型喷嘴进行空化射流试验,以揭示不同进口压力下空化射流流场特性,分析进口压力对空泡云演化规律的影响.结果表明:淹没式空化射流形成的泡云呈周期性变化,即在1个周期内包含空化初生、发展、脱落、溃灭4个不同阶段,并在空泡云脱落时达到最大的空泡面积、密度和宽度.由于随着射流入口压力的增大,喷嘴形成的射流速度加快,在射流边界层内速度梯度增大、射流核心区与伴随流的剪切作用增强,高速射流所产生的空泡云长度、面积和密度均呈增大趋势.同时,随着进口压力的增大,边界层内湍动能增大,加剧了部分流体的不规则运动,导致空泡云边界更加模糊且呈交错分布,空泡云的脱落频率不断增大.研究结果对提高空化射流在金属材料强化和石油钻井、破岩等领域的应用具有重要的理论意义和指导价值.     

叶顶间隙对斜流泵叶轮内部空化流动的影响

为了研究不同叶顶间隙值对斜流泵叶轮内部空泡稳定性的影响,获得叶顶间隙的最佳范围,基于标准SST k-ω湍流模型和均相流模型对斜流泵内部空化流动进行了数值模拟.结果表明:叶顶间隙对斜流泵叶轮内部空化性能有显著影响,小流量工况下随着叶顶间隙的增大,叶顶泄漏涡的湍流尺度和强度逐渐增加,临界空化数随着叶顶间隙的增大而逐渐减小;当临界空化数为0.357时,较大的叶顶间隙可以抑制叶片表面的初生空化;当叶片发生严重空化时(σ=0.123),较小的叶顶间隙抑制叶片表面产生大尺度空泡;当叶顶间隙较小时,空泡团稳定附着在吸力面;随着叶顶间隙的增大,空泡脱落区向主流移动并聚集在叶片吸力面中部,空化体积分数逐渐增大.     

多孔孔板水力空化可视化与数值模拟

基于自行搭建的多孔孔板空化反应装置,采用高速数码摄影和长工作距离显微成像技术,对多孔孔板中心孔内和孔板末下游进行空化特性试验研究,并分析了入口压力、空化数等参数对孔板水力空化的影响。试验结果显示:随着入口压力升高,孔内空化数不断下降且开始产生空化。孔板内和孔板下游都有空化区存在,且孔内空化对下游空化区影响大。数值模拟结果显示孔内空化与试验相符合,且下游空化区的产生是由孔内空化云脱落至下游漩涡区引起的。     

诱导轮内部液氢空化流动特性

为了研究以液氢作为流动介质的诱导轮的空化特性,采用数值模拟方法分别计算了诱导轮内部液氢和水的空化流动.计算中采用一种基于Kubota模型自开发的且考虑热力学效应影响的空化模型,湍流模型采用SST k-ω双方程模型,计算模型和方法通过试验进行了验证.通过对比计算,获得了2种介质在不同空化条件下诱导轮内部的空化流场,分析了2种介质下诱导轮的能量性能和空化性能.结果表明:修正的Kubota空化模型能够很好地模拟考虑空化热力学效应的诱导轮内部液氢的空化特性;相比水体而言,液氢为流动介质时诱导轮扬程有所提高,临界空化数变小,空化区域减小,这是由于介质特性特别是热力学效应的影响;以液氢为介质时,诱导轮的空化性能相对于水介质将有明显的改善,初生空化数将减小.