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.     

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.     

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。     

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...     

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。     

绕水翼空化流动及振动特性的试验与数值模拟

采用试验与数值模拟相结合的方法,对不同材质水翼的空化水弹性响应及其振动特性进行了分析.试验中,采用高速摄像技术观测不同空化阶段的空穴形态,应用多普勒激光测振仪测量水翼的振动速度.采用k-ωSST湍流模型和Zwart空化模型对流场进行数值模拟,并建立两自由度结构模型,基于混合耦合算法实现流固耦合数值模拟计算.试验结果表明,水翼的振动幅度在云状空化阶段达到最大,水翼的振动主频与空泡脱落频率一致,并随空化数减小而降低.数值预测结果与试验结果吻合较好,能较准确地捕捉附着型空穴的生长、脉动以及云状空穴的断裂脱落过程,主要振动频率与相应空泡脱落频率一致.受水翼弹性变形和结构水弹性响应的影响,弹性材料水翼吸力面的空泡发展更为复杂,空泡脱落过程伴随着大尺度空泡团的二次附着与脱落,且空泡团容易发生破碎,形成水气混合状,其结构振动特性和流激振动频谱成分也更加复杂.     

间隙尺寸对水翼叶顶旋涡空化流动影响的试验研究

采用试验方法对不同间隙尺寸的水翼叶顶旋涡空化流动进行研究.试验在闭式空化水洞中进行,应用高速全流场显示技术对旋涡空化形态进行观测,采用图像处理技术对结果进行处理,并对比分析间隙尺寸分别为0.5和2.0 mm的2种工况下间隙空化流动的发展规律.研究结果表明:随着空化数的减小,叶顶空化流动可以分为涡空化初生阶段、间隙内部附着空化发展阶段和剪切层空化发展阶段3个典型阶段;在涡空化初生阶段,大间隙工况下涡空化沿流动方向延伸距离大于小间隙工况;在间隙内部附着空化发展阶段,随着空化数的降低,大间隙工况下附着空化的初生和发展均领先于小间隙工况;在剪切层空化发展阶段,大间隙工况下剪切层空化形态趋于稳定时对应的空化数大于小间隙工况,并且其向下游延伸距离大于小间隙工况.     

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。     

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。