绕弹性水翼空化流动及其流激振动特性研究

该文采用基于径向基函数的流固耦合方法，对不同空化数下绕刚性水翼/弹性水翼的空泡形态及其流激振动特性进行了数值模拟。结果表明，绕弹性水翼空泡形态具有三个典型特征：(1)靠近翼尖前缘的附着空泡形态为三角形；(2)翼尖出现梢涡空化，梢涡空化随着空化数的降低而逐渐明显；(3)回射流作用下水翼存在云状空泡的周期性脱落。对不同空化数下弹性水翼的振动特性进行分析发现，随着空化数的下降，水翼振动的平均振幅及振幅波动值先增大再减小，平均振幅和振幅波动由大到小依次是：云空化>超空化>片空化。     

绕弹性水翼非定常空化流动模态分析

采用实验与数值模拟相结合的方法对弹性水翼在云状空化条件下的非定常流动特性和结构振动特性进行分析,采用高速摄像系统和激光多普勒测振系统分别获取水翼空化形态和结构振动特性。数值模拟采用考虑附加水动力效应的混合耦合算法。结果表明:空泡的非定常发展引起结构振动,回射流是导致云状空化断裂和脱落的主要因素。弹性水翼的振动主频与大尺度云状空泡脱落频率一致,其他频率与旋涡脱落频率和水翼的前三阶湿模态频率有关。采用POD方法获取流场主要含能结构,结果表明大尺度云状空化结构占据流场大部分能量。采用DMD方法精确捕捉到了流场的动力学模态特征及其对应频率,进一步验证了空化流激振动与旋涡脱落的关系。     

修正的SST k-ω模型在云状空化流动计算中的应用研究

采用基于Rayliegh-Plesset方程的空化模型及实验结果,评价了修正的SST k-ω湍流模型在云状空化流动计算中的应用。采用不同的修正系数,分别计算了绕Clar k-y型水翼的云状空化流动,获得了随时间变化的空化形态和升、阻力等流场及动力特性。通过与实验结果的对比表明,修正后的模型可以更准确地捕捉云状空化区域的空穴形态和空泡脱落的非定常细节;密度函数中指数n的选取对计算所得的空穴长度、升阻力和主要频谱分布均有影响,并给出了n的合理取值范围,为后续水工模型的空化数值计算提供了参考依据。     

二维水翼片空泡脱落及云空化数值模拟

二维空化水翼的非定常特性和云空化演化一直是空泡流领域研究的热点之一。该文采用雷诺平均NS方程(RANS)、分离涡模拟(DES)以及大涡模拟(LES)对绕二维水翼的空泡流进行了数值模拟,重点研究与评估这些数值模拟方法预报空泡流非定常特性的能力,给出了不同流动状态下的二维水翼的水动力系数。通过与二维水翼空化实验数据比较表明,修正湍流黏性系数的RANS数值模型可较准确地预报水动力系数,而DES和LES模型可准确地预报水动力系数和空泡脱落频率,是模拟云空化脱落与演化的有效途径。不同空化数条件下云空泡流场的大涡模拟结果表明,水翼片空泡尾部大尺度旋涡的生成与发展是导致片空泡断裂的主要原因,而一旦片空泡发生断裂则在片空泡下部形成显著的回射流。     

某二维水翼空化数值模型对比

以二维水翼计算模型为研究对象,采用数值模拟的方法,通过不同的空化模型和湍流模型对计算模型进行数值模拟研究,得到了翼型在空化过程中空泡的运动规律。结果表明:该翼型在不同空化模型下,发生空化时,空化过程包含了空泡的产生、发展、脱落和溃灭几个过程,空化的运动过程总具有明显的周期性;Schnerr-Sauer模型的计算结果与实际的水翼空化流动过程相吻合,Schnerr-Sauer空化模型可以很好地模拟绕水翼的空化流动过程。     

某二维水翼空化数值模型对比研究

以二维水翼计算模型为研究对象,采用数值模拟的方法,通过不同的空化模型和湍流模型对计算模型进行数值模拟研究,得到了翼型在空化过程中空泡的运动规律。结果表明:该翼型在不同空化模型下,发生空化时,空化过程包含了空泡的产生、发展、脱落和溃灭几个过程,空化的运动过程总具有明显的周期性;Schnerr-Sauer模型的计算结果与实际的水翼空化流动过程相吻合,Schnerr-Sauer空化模型可以很好地模拟绕水翼的空化流动过程。     

基于不同空化模型NACA66水翼三维空化特性数值研究

为了比较Zwart-Gerber-Belamri(ZGB)空化模型、Schnerr-Sauer(S-S)空化模型和改进后的Schnerr-Sauer(S-S)空化模型对水翼空化流动数值计算的影响,该文以攻角为6°的NACA66型三维水翼为研究对象,基于密度修正(DCM)的SST k-ω湍流模型,采用湍动能修正后的空化模型并对其非定常空化流场进行数值计算。获得了不同空化模型计算得到的翼型升阻力系数、吸力面空泡形态演变、速度场的分布规律以及翼型表面平均压力分布规律。结果表明,在非稳定空化状态下,ZGB和改进后的S-S均模拟出非定常空化的准周期性,而原始S-S预测非定常准周期性不明显。三种空化模型均捕捉到空化流场中的回射流结构,ZGB模型和改进后的S-S模型较原始S-S模型能捕捉到更强烈的云状空化,且空化向尾缘发展,随后向下游脱落,这与已有文献中的实验结果基本一致。     

绕轴对称体三维非定常空化流动的数值与实验研究

采用数值和实验相结合的方法研究了绕轴对称体三维非定常空化流动现象。实验中,采用高速摄像的技术和动态测力系统对绕半球型和平头型轴对称体的非定常空化流场及其动力特性进行了分析,观察了在不同空化数下,绕半球型和平头型轴对称体的空泡形态;测量了轴对称体受到的阻力,并对阻力信号进行了时频分析,得到了在非定常空化阶段,轴对称体动力特征频率。基于实验现象,发展了一种基于密度修正的分域空化流动的计算方法,并与实验结果进行了对比,结果表明:该方法可以较好的模拟绕轴对称体三维非定常空化流动现象。绕不同头型轴对称体的空化流场结构均存在明显的三维非定常流动特性,并且,空化流场形态与动力特征频率存在高度的相关性,不同头型轴对称体的非定常空化流场结构存在较大的差异,半球型轴对称体空泡流动的脉动主要是空泡尾部的高频小脱落引起的,而平头型轴对称体的空泡流脉动成分主要是大尺度的漩涡空泡团的周期性脱落。     

基于伪势模型的表面张力对空化泡溃灭的影响

采用可调节表面张力的大密度比、大黏滞系数比格子玻尔兹曼伪势空化模型模拟了近壁区空化泡溃灭过程,并进一步分析了表面张力和初始空化泡内外压差对空化泡溃灭过程中流场分布的影响,探究了表面张力变化对空化泡溃灭时产生的微射流和溃灭压力演化的影响。结果表明:在近壁区空化泡溃灭过程中,随着表面张力减小,加剧了气液交界面的变形,导致微射流更为集中。同时空化泡在溃灭过程中蓄积的表面能减小,在溃灭时刻迅速释放后,减弱了空化泡溃灭强度,空化泡溃灭最大微射流流速和最大压力均随着表面张力的减小而减小,导致空化泡溃灭时间缩短,增加了壁面引起的Bjerknes力,加剧空化泡朝向壁面溃灭的趋势。     

温度对液氢绕水翼非定常空泡流影响的数值研究

该文基于均质多相流理论,采用RNG k-模型和修正系数Zwart空化模型对液氢绕NACA0015水翼非定常空化流动进行数值模拟。模拟了非定常空泡云的生长、断裂、涡状空化团脱落和破裂的周期性过程,模拟中考虑了热力学效应,并分析了温度对空泡流场特性的影响。研究结果表明:在相同空化数和来流速度下,空泡周期随温度增高而变长,升、阻力系数的波动周期随温度增高而增加,但其时均值的随温度增高而减小。     

二维水翼局部空泡脱落特性数值分析

空化是水动力学中特有的一种物理现象,研究空化现象对改善水力机械和舰船推进器性能具有很现实的工程意义,发展空泡流动的数值模拟技术是现在空化研究领域中的热点.本文通过Fluent软件提供的二次开发接口,把基于状态方程的空化模型添加到Fluent软件中,并采用非线性汽、液湍流黏性计算模式实现了二维水翼定常、非定常空泡流动的数值模拟.计算的定常空泡翼型表面的压力分布与试验吻合较好,模拟了非定常空泡从初生、发展、断裂、脱落以及在下游溃灭的整个过程.揭示了空泡内部流动结构和非定常周期性脱落的原因.通过数值模拟与试验对比,研究了空泡脉动的数的规律.     

基于自适应网格技术的Clark-Y水翼空泡数值模拟

空化流动具有高度非定常性,界面模糊而且处于不断地形变之中。该研究基于开源的CFD平台OpenFOAM,利用interPhaseChangeDyMFoam求解器对Clark-Y水翼的空泡流进行数值模拟,并利用自适应网格技术对空化区域尤其是两相界面附近的网格进行了局部加密,考察并分析了水翼的水动力性能和空泡形态。文中将模拟结果与试验结果相比较,发现通过自适应网格加密可以有效捕捉空泡形态的变化尤其是片空泡脱落过程和云空泡溃灭过程。研究表明,针对空化区域的自适应网格加密能够在计算量一定的情况下有效提高空泡流模拟精度。     

三维水翼云空泡非定常特性数值分析及试验验证

采用Singhal空化模型和修改的κ-εRNG湍流模型,数值模拟了三维扭曲水翼非定常空泡流动及其云空泡的动态脱落,空泡形态、流场等定性结果与相应的试验结果进行了比较。预报的回射流和侧射流的流动特性,以及云空泡的动态脱落的主要特征与试验结果相一致。计算结果表明,对于外形为凸形的片状空泡,侧射流是片状空泡脱落的主要原因。     

水力机械空化水动力学的几个基础问题研究

空化现象是水利、船舶、交通及能源动力等工业界广泛存在的液体汽化现象,而水力机械的空化由于流道结构复杂、影响因素繁多,一直是困扰整个行业发展的关键难题。本文主要简单介绍近几年国内外以及作者课题组在空化水动力学基础研究方面的主要进展,主要内容包括:(1)三维云状空化流动结构及演变特性;以三维水翼空化云的准周期性脱落为例,阐明空化对水翼尾流区域的速度场、湍流强度以及涡量场的影响规律。(2)以扭曲水翼为对象,揭示U型云空化(马蹄形)向下游发展过程中演变规律及形成机制。(3)根据得到的空化云图和Q准则涡量图,对比扭曲水翼附着型空化绕流结构在不同攻角下的特点和演化过程。(4)基于理论分析和数值模拟,揭示了空化体积二阶导数为水力机械空化诱导低频水压脉动激振的根源,为深入理解水力机械、船舶推进器等的内部流动机理、工程中叶片区及流道表面的流动分离抑制提供了新的概念与方法。     

RNG k-ε模型在超空化流动计算中的应用评价

为深入了解两相共存超空化的非定常特性，分别采用标准RNGk-ε模型及其修正模型，计算了绕水翼的超空化流动，并通过与实验结果的对比对各个模型进行了评价。计算结果表明；标准RNGk-ε模型及其修正模型均可以模拟绕水翼的超空化流动状况，能比较准确地模拟两相共存超空化阶段汽相和水汽混合相界面的反向波动过程；模型常数的不同主要表现为对空穴内逆压梯度的影响，并由此导致了计算获得的最大空穴长度以及两相界面反向波动速度的差异；超空化区域内水汽两相的变化与压强分布均存在对应关系，压强的变化导致了水汽两相界面的反向波动。     

绕水翼超空化流发展及其旋涡特性的实验研究

为深入了解超空化流场结构特性,利用数字粒子图像测速(DPIV)和高速全流场显示技术,观测了绕hydronautics水翼的超空化流动涡量场。采用空化流场中的空化泡作为示踪粒子来显示流动结构。结果表明:在超空化的不同发展阶段,流动涡量场呈现不同的分布特征:随着空化数的降低,上下涡带逐渐靠拢,并向后延伸、拉直;下涡带随空化区域内汽相和水汽混合相分布的不同而发生明显变化:空穴形成阶段的下涡带基本稳定;在两相共存阶段,汽相和水汽混合相的频繁转换使得下涡带的起始位置和形状发生剧烈的变化;而在超空化完全发展阶段,下涡带又趋于稳定,且起始位置移至水翼后部。在整个超空化阶段,汽相和水汽混合相之间存在着较大的速度梯度;与来流方向相比,垂直于来流方向的速度脉动要大得多。     

轴流泵叶轮叶顶区空化流的数值模拟与实验研究

为分析大流量工况下轴流泵叶顶区空化流场特性,采用修正的空化模型和SST k-ω湍流模型以及结构化网格技术,对南水北调工程某一轴流泵模型叶顶区流场进行数值模拟,并分析其大流量工况下叶顶间隙内的轴向速度和湍动能分布特性,揭示了叶片不同弦长截面的空穴分布和压力场的关联性。采用高速摄影技术,对叶顶区不同空化数下的空化流场进行实验测量,并与数值计算结果进行对比分析。研究结果表明,叶轮叶顶区空化主要分布在叶顶间隙区、泄漏涡卷吸区和涡带区域。在大流量工况下叶顶区空泡分布起始于叶顶叶片弦长中间位置,随着叶顶翼型弦长系数的增加,由叶顶角涡引起的间隙空化从叶顶压力面拐角处发起,并覆盖叶顶间隙区;泄漏涡空化区随着泄漏涡的产生、增强和耗散,与之对应也具有空化初生、发展和溃灭的过程。在大流量空化严重工况下,流动分离诱导叶片压力面前缘约50%区域出现片状空化,叶片吸力面中后部也形成了片状附着空化,同时叶顶区刮起涡空泡、泄漏流空泡和叶顶泄漏涡空化涡带并存,严重堵塞了叶轮流道。     

超空化水翼流场的DPIV实验研究

该文采用DPIV粒子成像测速系统对绕2D超空化水翼(Tulin翼)的空化流场进行了测量,研究了初生空化阶段,附着型片状空化阶段,空化云以及超空化四个阶段典型流场的速度分布及涡量分布。实验结果表明:在空化发展的四个阶段,相对于主流区域,空化流区域速度明显偏小;在整个流动区域,有两个速度梯度较大的区域,一个是空化区和水体主流区的交界面,一个是翼形表面的边界层区域。在空化发展的四个阶段邻近翼型尾部处均会产生一个大小近似相等的正向涡和一个反向涡,并且正向涡总是处于反向涡的下方,形成一组正向对涡。     

基于格子玻尔兹曼方法的近壁区空化泡生长溃灭过程模拟

基于格子玻尔兹曼热流耦合模型,兼顾温度场与流场的相互影响,对近壁区空化泡的生长和溃灭过程开展了系统研究,分析了泡壁无量纲距离和初始输入温度对空化泡演化过程和溃灭强度的影响,并对比了被动标量模型与热流耦合模型的差异。结果表明:空化泡受壁面限制,生长过程中无法保持圆形,其最大半径与泡壁无量纲距离之间存在幂函数关系,当泡壁无量纲距离大于1.6时,则为线性关系;空化泡最大半径与输入能量为线性关系,与初始输入无量纲温度之间存在幂函数关系;热流耦合模型考虑了高温对表面张力的影响,与被动标量模型模拟结果相比,其溃灭阶段获得的射流体积更大,微射流更集中,但溃灭强度更小。     

绕扭曲翼型三维非定常空泡脱落结构的数值分析

该文以一种三维扭曲翼型为研究对象,采用均衡流空化模型和基于滤波器的湍流修改模式模拟了绕翼型非定常空化流动。计算结果显示,在一定条件下绕翼型的空泡流动存在两种脱落结构,即主体脱落和二次脱落。进一步的流场分析表明回射流和侧面射流是这两种空泡脱落结构产生的主要原因。计算结果与试验的比较说明,该文采用的数值模拟方法可成功模拟实验观测的空泡脱落现象。