绕三维水翼非定常空化流动结构的数值与实验研究

为了说明非定常空化的流动机理,该文采用数值与实验相结合的方法对绕三维水翼片状和云状空化流动结构进行了研究.实验在高速水洞中进行,采用高速录像技术观测了片状和云状空化阶段的空穴形态.数值计算基于均相流模型,汽液混合区域密度由质量传输方程调节.利用商业软件二次开发技术引入准确描述空化流场非定常特性的FBM 湍流模型,进行绕三维水翼的数值模拟,获得了随时间变化的空穴形态、压力和速度分布等流场结构.与实验结果对比发现,数值计算结果与实验基本一致.在片状空化阶段,空穴稳定地附着在水翼表面,只有空穴尾部不断的有小空泡团沿着翼弦方向脱落.在云状空化阶段,清楚得描述了空穴的产生-发展-脱落-溃灭的准周期性变化,并准确地捕捉到空泡脱落时,附着在翼型前端的U 型空穴和翼展方向不同强度的反向射流,脱落的空泡由翼型中前部旋涡状脱落.     

空化噪声谱特性研究

空化发生时,气泡经历成长、溃灭、反弹、再溃灭等复杂过程,辐射出尖的声压脉冲,对空泡辐射的噪声特性起主导作用。空泡一次溃灭辐射的脉冲可以用单指数函数或双指数函数来描述,空泡多次溃灭辐射的脉冲可以用振幅衰减的指数函数序列来描述,本文对这些指数模型进行了详细的分析,得到不同模型对应的噪声谱。指出了这些模型的适用范围。并对经典单空泡噪声谱的特征进行了解释和说明。本文还利用多次脉冲对应的噪声谱解释了实验得到的噪声谱在中间的频率范围内的起伏现象     

通气空化多相流动特性的实验与数值研究

为了进一步分析通气空化多相流的特性,采用实验和数值模拟相结合的方法,对绕带空化器回转体的通气两相流动和通气三相流动的结构进行了对比分析。实验中采用高速全流场流动显示技术获得了通气空化多相流动的空泡形态;数值模拟中采用滤波器湍流模型（FBM）进行了数值计算,获得了空泡形态和流线分布,数值模拟获得的空泡形态与实验一致。结果表明,由于空化数的不同,在相同通气率下,绕回转体通气空化三相流动的空泡形态不同于通气两相流动;同时空泡的非定常行为也发生了大的变化。     

轴流泵叶顶泄漏涡空化的数值模拟与可视化实验研究

该文以某一等比例缩放模型泵为研究对象,采用修正的SST k-ω湍流模型和空化模型,对额定工况下轴流泵叶顶泄漏涡空化流进行了数值模拟,并与高速摄影结果进行了对比分析。探讨了叶顶区域泄漏涡空化流场结构,揭示了不同空化数下空化发生位置和空泡形态演变过程。研究结果表明,改进的数值模拟方法准确计算了叶顶区域空化流场的流动结构;轴流泵的初生空化为叶顶间隙空化和叶顶泄漏涡空化,随着空化数σ降低,叶顶泄漏涡卷吸区也出现了剪切层空化;在空化数较小工况下,沿着叶片吸力面在轴向形成空泡云,并在叶片尾缘存在周期性的空泡脱落和爆破过程,破坏了流动稳定性,并诱导产生空化噪声。     

非均相流模型在绕回转体通气空化流动计算中的应用

结合水洞实验,研究了非均相流模型在通气空化流场计算中的应用。分别采用均相和非均相流模型对绕带空化器回转体的通气空化流场进行了数值计算,并与实验结果进行了对比,结果表明:非均相流模型由于充分考虑到相间界面及其相互作用,较应用均相流模型,能够更准确地模拟绕带空化器回转体的通气空化流动的空泡形态和通气空化流场的非定常特性和空泡区域的速度分布,更好地捕捉到空化区域内反向射流运动的非定常过程。     

刚性壁面附近多空化泡辐射噪声的研究

对空化泡在刚性壁面附近溃灭过程中的辐射声场进行研究,并得出刚性壁面附近单空泡、双空泡的辐射声压分布。研究表明由于刚性壁面的影响使得空化泡的辐射声场表现出一定的指向性。双空泡辐射声压分布还与空泡崩溃时间、空泡之间距离以及空化泡初始半径有关。在考虑到声压相位叠加时,待测点处的辐射声压依赖于空泡的声压幅值[p]和两空泡到观察点的声程差[Δ1=l12sinθ1]和[Δ2=l22sinθ2]。计算过程及结果为刚性壁面附近的空化计算提供依据,并为多泡空化的辐射声场分析提供理论依据,有助于修正空化泡的运动方程。     

轴流泵叶轮内空化流动的计算研究

首先通过轴流式模型泵外特性试验,确定了汽蚀性能曲线。基于完整空化模型和混合流体两相流模型,对轴流式模型泵设计工况下叶轮内空化流动进行全流道数值计算。选择空化开始发生、临界汽蚀点以及空化严重时3个工况比较分析叶轮内空化流动的发展情况。计算获得了不同汽蚀余量时叶片背面静压、空泡体积组分分布和不同轴截面上的空泡体积组分分布。当叶轮流道内发生局部空化时,不会影响到泵的能量性能;空化严重时,翼形叶栅的过流面积受到严重堵塞,泵的能量性能严重下降。计算结果与外特性试验相吻合,较好地揭示了轴流泵叶轮内的空化流动的静态特征。对比计算扬程和效率确定了空化的发展阶段,对于保障轴流泵稳定运行有一定指导意义。     

孔板流量计内空化现象的数值模拟

以计算流体动力学CFD软件为工具,通过引入Schnerr-Sauer空化模型,并结合多相流Mixture模型与RNG k-ε湍流模型,对两通道非标准孔板流量计在空化发生条件下的内部流场进行数值模拟。考查等效直径比β=0.7时,流场中蒸汽体积分数和压力分布的变化规律,入口压力对空化数的影响以及雷诺数对流出系数和压力损失的影响。结果表明:入口压力增加到一定值时,在环隙边缘处首先发生空化现象,并且随着压力的增大,空化发生的区域增大,空化程度加剧;空化数随入口压力的增大而减小;空化效应对流量计的流出系数的影响较大,而对压力损失的影响较小。研究结果对孔板流量计的测量误差原因分析和提高测量精度有参考价值。     

小波在瞬态空化噪声分析中的应用

本文采用小波变换对于空泡溃灭过程中辐射的瞬态噪声进行了分析,得到对应的小波系数随时间和频率的变化图象。与传统的Fourier谱相比,小波系数图象能描述出噪声谱中各种频率成分随时间的变化,更准确地反映出瞬态空化噪声的时域特征。     

近壁面空化冲击颗粒破碎效果的影响因素研究

为提升近壁面空化冲击的颗粒破碎效率,对颗粒破碎效果的影响因素开展了研究。首先确定了液相中空化冲击破碎颗粒的基本方式:近壁面空泡溃灭时产生的高速微射流会驱动空泡内部的颗粒撞击壁面,造成颗粒破碎。由颗粒破碎的基本方式确定了影响颗粒破碎效果的主要因素;理论分析了微细颗粒穿过流体空化泡壁的动态过程,计算了不同粒径的运动颗粒能够穿过空化泡壁的初始速度及初始距离条件;分析了颗粒粒径大小对于近壁面空化泡溃灭微射流的削弱作用,计算了近壁面空化冲击破碎颗粒的无量纲距离条件。基于理论分析结果,开展了基于颗粒体积分数、入口压力、颗粒大小及转速率等多因素的石英砂颗粒球磨空化冲击破碎实验。结果表明,实验后各实验点的中位粒径D₅₀和特征粒径D₁₀均明显减小,粒径小于10μm的颗粒占比由实验前的6.2%提升至59.3%,验证了上述因素对颗粒破碎效果的影响作用。     

绕弹性水翼非定常空化流激振动特性研究

该文通过实验和数值计算相结合的方法,对弹性水翼非定常空化流激振动特性进行了研究。实验中,采用高速摄像机获取云状空化不同发展阶段的流动发展规律,应用激光测振仪测量弹性水翼的流激振动特性,通过同步测量技术获取水翼振动特性数据并结合空穴形态图对其进行分析,同时在实验结果基础上加入数值计算部分对流激振动特性进行进一步的说明。研究结果表明：云状空穴的发展为一个准周期过程,包括附着型空穴的生长、空穴的脉动以及空穴的脱落三个阶段;弹性水翼的振动主要受空穴发展过程的影响,因此流激振动特性呈现出周期性的变化过程,且弹性水翼振动主导频率为空穴脱落频率;在不同的空穴发展阶段,表现出不同流激振动特性,并且在空穴脉动和空泡脱落阶段水翼振动较为剧烈。     

悬臂方向对TLV空化抑制效果的影响及其机理

该文综合利用实验及数值模拟方法细致研究了悬臂式沟槽叶顶间隙泄漏涡(tip-leakage vortex, TLV)空化抑制器的悬臂凸出方向对抑制TLV空化效果的影响,并对其原因进行了深入讨论。研究表明:相比于原始水翼叶顶处的TLV空化,无论悬臂凸出方向指向水翼的吸力面还是压力面,悬臂式沟槽TLV空化抑制器在各个间隙大小下均能产生显著的抑制效果。相对而言,当所采用的悬臂凸出方向为压力面时,该装置对TLV空化的抑制效果更为显著,且可更有效地抑制TLV空化体积脉动。测量结果表明:悬臂凸出方向对水翼升、阻力系数影响均很小。数值结果则进一步表明:当采用悬臂凸出方向为指向压力面时,悬臂式沟槽TLV空化抑制器能更好地抑制流体从压力面流向吸力面,干扰TLV的生长,进而可以更加有效地抑制TLV空化的发展。     

水中测速涡轮高速旋转下的空化特性研究

水下常规弹药引信可利用外置涡轮获得其自身运动速度,研究高速旋转涡轮的空化特性对引信测速、测距误差的分析具有重要意义。该文从空化的发生和发展机理出发,针对水流速度为10m/s和8m/s下的不同空化数,分别利用数值仿真和空化水洞实验对涡轮空化形态和动力学特性进行了研究,并分析了空化条件下的涡轮转动。根据仿真和实验的结果,对涡轮空化发展的各阶段特征进行了分析比较。结果表明,数值方法能较好的预测涡轮空化的发展规律和空化下的涡轮动力特性;在一定的水流速度下,涡轮的转动速度随空化数的降低先略有升高然后降低;在一些水流速度和空化数下,涡轮转速信号具有明显的低频周期性变化。     

考虑空化作用的潜射航行体弹道仿真

该文基于独立膨胀原理研究了潜射航行体的自然空泡形态及小机动条件下空泡轴线的偏移,采用细长体理论计算了航行体部分沾湿区的流体动力,建立了纵平面内潜射航行体水下运动数学模型。针对自然空化条件下潜射航行体水下航行段弹道进行了仿真分析,仿真结果表明,艇速干扰使弹道出现弯曲,艇速越大,航行体出水姿态角越大,不利于出水姿态的稳定,而空化作用产生的附加径向力在一定程度上对航行体姿态起到矫正作用,仿真计算结果与模型试验结果符合较好。     

潜射导弹出筒过程肩空泡形态和水阻动力特性研究

该文采用多相流模型、Singhal空化模型和动网格技术,对潜射导弹垂直发射出筒过程进行了数值模拟,并将仿真结果与文献数据进行了对比分析,二者具有较好的吻合性,验证了数值计算方法的准确性。得到了潜射导弹的肩部空泡几何形态和出筒过程的压力分布情况,获得了导弹的压差阻力系数曲线、摩擦阻力系数曲线和总阻力系数曲线,分析了肩空泡对潜射导弹的水阻动力特性的影响。     

低温流体空化特性的数值计算研究

采用数值计算的方法研究了液氮和液氢的空化流动特性。为了考虑温度影响,控制方程采用了连续方程、动量方程及能量方程,并应用二次开发方法在商业软件中引入Merkle 空化模型及物质属性,物性参数随流场温度变化而不断更新。分别对液氮和液氢几个工况进行了计算,并与实验结果进行了对比。结果发现,在液氮和液氢中,当流体温度接近临界点时,热力学效应表现显著。热力学效应显著主要表现在空穴变短、水蒸汽含量减少和汽液界面变的模糊。由于密度比、饱和蒸汽压随温度变化梯度等物质属性的不同,相对液氮,液氢的热力学效应更加明显。     

航行体水下垂直发射空泡脱落条件研究

航行体水下垂直发射出水时空泡的脱落能够影响溃灭的压力以至结构的设计载荷,因此研究发射条件对空泡脱落和空泡状态的影响具有重要的意义。该文首先从回转体空泡脱落的特征出发,确认回射流是导致空泡脱落的控制因素,进而通过对空泡脱落的影响分析,提出回射流运动时间和航行体运动时间的比值大小能够作为空泡脱落和空泡状态的判据;接着对不同深度发射工况流场与空泡演化过程开展了系统数值模拟并与典型试验结果对比分析,验证并给出了该判据其在典型发射工况下的量化表达式;进而讨论了空化数、弗劳德数、深度、发射速度、泡内压力等条件对空泡断裂脱落的影响,给出了出水空泡溃灭时产生较强随机性高压力脉冲的发射区间。     

影响声化学产额的几个因素

声空化是声化学反应的主动力，对声化学产额的研究将能更好地利用声化学技术。从大量的实验研究报道结果来看．在既定的物理和化学条件下，声化学产额的高低主要取决于声化学反应器的类型和各类操作参量。文中对影响声化学产额的媒质参量和声学参量作了定性的讨论，这些参量包括媒质的粘滞性、可压缩性、反应器的几何形状、声压和频率等，同时从空化泡群的角度分析了这些参量之间的相互联系，结合目前声化学的研究现状，探讨了今后该领域急需解决的一些问题及发展方向。