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.     

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 kε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kε模型消除了湍流尺度的影响,通过修正的RNG kε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 kε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。     

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.     

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。     

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.     

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...     

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.     

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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

叶片交错布置对双吸泵空化性能的影响分析

为研究叶片交错布置对双吸离心泵空化性能的影响,选用RNG k-ε湍流模型和基于Rayleigh-Plesset方程的空化模型,考虑泵腔和工艺圆角的影响,分别对叶片交错角为0°、10°、15°、20°、30°的5组角度在设计工况下进行了全流场空化流动模拟和性能试验。为突出研究结论的共性,引入交错度的定义,并分析了不同交错度下叶轮中间流面的空泡分布、扬程和叶轮扭矩变化,同时验证了所选数值计算模型的准确性;从数值分析中得到,选择合理的交错度可以有效提高双吸离心泵的抗空化性能。不同交错度下叶轮所受扭矩急剧下降时对应的有效空化余量均不同,当交错度为1时,叶轮所受扭矩在未空化时较为稳定且在空化时损失较少;当有效空化余量小于临界空化余量时,双吸离心泵叶轮流道内低于当地空化压力的区域,交错度为1时相对最少,即空泡占据流道过流面积最少,此时双吸叶轮的空化特性也相对较好。     

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．     

不凝性气体及湍流扰动对喷嘴孔内空化现象的影响

利用ANSYS_Fluent 15.0软件,在两相流计算采用均相流模型(HEM)、湍流计算采用realizable k-ε模型基础上,分别基于SS及Singhal空化模型对喷嘴孔内空化现象进行数值模拟,并将模拟结果与试验结果进行对比分析,其中前者忽略了不凝性气体及湍流扰动对孔内空化现象的影响,而后者考虑了这2个因素。其后在两相流计算仍然采用均相流模型的基础上,将Singhal空化模型与不同的湍流模型组合应用,并与试验结果进行对比分析。结果显示:不凝性气体及湍流扰动对喷嘴孔内空化现象数值模拟存在显著影响,不考虑这2个因素时计算所得喷孔内气相区域分布规律与试验结果一致,然而计算所得气相体积分数仅为试验结果的42%,考虑这2个因素时计算所得气相区域分布规律同样与试验结果一致,且计算所得气相体积分数约为试验结果的96%,即考虑不凝性气体及湍流扰动的影响会使喷嘴孔内空化现象数值模拟更加准确;考虑不凝性气体及湍流扰动时计算所得气相区域在其末端出现小幅扩散现象,这种扩散现象源于不凝性气体在气相区域末端的膨胀作用;湍流粘度的计算结果通过影响场内流速、静压的方式最终对计算所得喷孔内气相区域分布产生一定影响。     

旋转式水力空化发生器的空化特性

为综合考虑水力空化发生器的空化强度和输送能力,基于一台比转数为117.3的单级单吸式离心泵,设计出一种能够兼顾空化和扬程的旋转式水力空化发生器.基于CFX软件对旋转式水力空化发生器内部空化形态变化和空泡演变规律进行研究.结果表明,随着进口压力的降低和流量的增加,旋转式空化发生器的空泡团体积增大;在转轮挡板和隔舌附近均有空泡产生,转轮内部空泡首先在挡板侧面产生,然后在其背面靠近隔舌处开始脱落,隔舌处空泡在隔舌下游初生,并与转轮空泡同时脱落,两者具有不同的溃灭周期.该旋转式水力空化发生器提高了空化发生装置的集成化程度,具有空化效果好、且能有效增加液体静压的特性,对其空化特性的研究可以为水力空化发生装置的设计提供参考.     

叶片包角对离心泵空化性能的影响

为了研究叶片包角对离心泵空化性能的影响,选择3台不同比转数的离心泵为研究对象,分别将各模型的设计包角做减少5°、增加5°和10°变化。基于ANSYS CFX软件应用标准k-ε湍流模型、均质多相模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型对各模型泵在包角变化时泵内的空化流场进行数值模拟,分析空化性能和空泡体积分布变化规律,并通过实验进行验证。结果表明:叶片包角对中高比转数离心泵空化性能的影响较大;随着叶片包角的增加,各模型必需空化余量的变化规律各不相同,但叶片包角存在一个最优值使离心泵在设计工况下的空化性能最佳。