基于Rayleigh-Plesset方程的改进空化模型及应用

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。通过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Rayleigh-Plesset方程的改进空化模型及应用

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。通过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Rayleigh-Plesset方程的改进空化模型及应用

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。通过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。     

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。     

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.     

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.     

高海拔下ZGB空化模型的修正及其对水翼空化的影响

空化模型在流体机械的研究和设计中必不可少,但目前缺乏对适用于高海拔工况的空化数值模型的研究。首先基于Zwart-Gerbera-Belamri空化模型,分析和推导了气泡初始半径、气核体积分数等模型中关键参数关于海拔高度的关系式,使模型适用于高海拔环境。然后将数值计算结果与相应实验数据进行了对比,验证了模型的适用性。最后针对NACA0009水翼,在0～5 km海拔高度下,使用修正后的空化模型进行了数值计算。结果表明：相同工况设置下,随着海拔高度的增加,环境气压降低、气核体积分数降低、气泡初始半径增加、压力面最大压力系数基本不变、吸力面最小压力系数略微增加、空穴长度显著增加,当海拔为5 km时,空穴长度增加到约弦长的81%,空穴长度增长率随海拔高度的增加而增加,在4 km处达到峰值0.17后开始降低。     

改进FBM湍流模型在离心泵空化流计算中的应用

为了更好地模拟离心泵内部的空化流动,全面考虑空化对流场的影响,将基于密度修正的方法(density correction based model,DCM)引进到基于滤波修正的RNG k-ε模型中(filter-based model,FBM),发展了一种基于密度修正的FBM湍流模型,该模型考虑了汽/液混合相的可压缩性,可以准确地模拟出较高汽相体积分数流场区域的流动。基于该模型对一台比转数为95的离心泵进行了空化流的数值计算,并与实验结果进行对比。研究结果表明:基于该模型得到的临界空化数与试验结果更为接近;随着空化程度的加剧,空泡最先在叶片进口边的吸力面附近产生,然后向出口方向扩展;叶轮流道总压系数的下降主要发生在上游的0～Ⅲ断面;空化的加剧对距进口边相对位置为0～0.4部分的叶片载荷影响较大。     

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.     

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。     

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.     

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。     

部分负荷工况下水泵水轮机的空化特性

为研究部分负荷工况下水泵水轮机空化系数改变对内流特性的影响,采用RNG k-ε湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型,对某抽水蓄能电站模型机进行了全流道非定常空化流动数值计算,并分析了机组处于不同空化阶段时的水力性能及内流状态.研究结果显示:逐步发展的空化会引起水力效率降低和轴向力显著增大;部分载荷时,空化产生的涡带起源于泄水锥处,呈螺旋形向下游低速运动;随着空化系数的减小,涡带形态逐渐由细变粗,低压区覆盖范围向外扩展,沿半径方向的速度变化更加急剧.在空化涡带旋进的过程中,流道内出现了严重的二次回流,主流沿着锥管壁面向下游推进,引发壁面的冲撞而引起激烈的振动,这种结果对机组的稳定高效运行非常不利.     

截止阀内部的介质流动和空化特性研究

本研究通过均质混合方法,结合SST k-ω湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型,对截止阀内部的介质流动和空化现象进行了研究。研究得到了截止阀内部的介质速度云图、压力云图、截止阀管道中心线上的压力数据,以及发生空化现象后截止阀内部的蒸汽相分布。仿真结果表明,截止阀内部会有非常明显的压力波动,截止阀的空化现象主要发生在阀座密封面和阀瓣密封面附近。     

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.     

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.     

激波传播与云空化脱落过程脉动冲击研究

使用实验与数值模拟相结合的方法对NACA0015水翼的云空化流动和压力脉动进行了研究,分析了激波主导下的云空化脱落机理和脉动冲击。实验在空化水洞中进行,采用压力传感器记录监测点压力脉动信息,并使用高速摄像技术捕获空泡形态。通过数值计算,捕捉对应监测点的压力脉动情况,并基于FBM-DCM方法对SST湍流模型进行修正,获取了非定常流动过程中的空化特性。结果表明：可压缩修正后的SST模型很好地捕捉到了大尺度云空化溃灭后形成的激波在吸力面上的传播过程。空泡覆盖区域,压力处于较低水平。激波在传播过程中会导致当地压力的回升。NACA0015水翼在水温33℃、攻角12°、空化数1.4下,模拟得到激波在46%弦长和32%弦长之间的传播速度约为11.53m/s,实验得到激波在该区域传播速度为11.31m/s,二者在数值上较为接近。     

离心泵内部非定常空化流动及其可视化

基于混合多相流模型,不同的湍流模型及完整空化模型,对比转数为86的离心泵内部流道的空化流动进行了定常和非定常的数值模拟,预测了空化初生阶段、发展阶段和空化严重阶段叶轮流道内空泡分布的形态特征。利用高速摄像机和设计的可视化离心泵,对空泡形态特征和连续时间内的叶轮内空化流场的观察与分析,获得了叶轮旋转过程中相邻叶片流道中非定常空化流动的变化规律。结果表明:拍摄所得空泡形态特征随NPSH的变化规律与数值计算结果基本一致,验证了数值计算的有效性;当某一叶片背面上或某一叶片流道内出现严重空化时,紧跟其后的叶片背面上或叶片流道内空化现象会受到抑制,但在其工作面上会出现明显的空化区。     

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.