水平轴海流机空化流动模拟

海流机是海流能利用的一种新形式,其空化性能的好坏直接影响到海流发电机组的安全和稳定运行。基于两相混合流模型对一模型水平轴海流机空化流动进行研究,得到不同空化数下的空泡形态及其性能曲线。数值模拟结果表明,采用数值计算方法能够有效地预测海流机的空化现象,计算得到模型海流机的初生空化数,空泡形态与试验结果相类似;海流机空化通常发生在近叶尖吸力面上,并随空化数的降低沿叶片展向和弦向变长;空化数相对较高时,空化出现在叶片弦向中间区域,随空化数降低向叶片尾缘发展;空化初生时,海流机性能没有明显改变;只有当空化数降低到一定程度时,海流机推力升高,输出功率下降,海流机性能恶化,实际运行中应当避免在此工况下运行。     

叶轮流道入口喉部面积对离心泵空化性能的影响

为了探究叶轮流道入口喉部面积对离心泵空化性能的影响,以某型号离心泵为研究模型,通过修改叶片包角和方格网流线构建了4组具有不同叶轮流道入口喉部面积的叶轮,基于RNG k-ε湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型,对4组模型泵方案的空化性能进行数值模拟。研究结果表明：在保持叶轮流道出口面积不变的前提下,叶轮流道入口喉部面积增大,初生空化余量NPSH_i与临界空化余量NPSH_r的变化存在相反的趋势,两者之间没有倍数关系;临界空化余量NPSH_r主要与叶轮流道面积的变化趋势有关,宽敞流道有利于降低离心泵的临界空化余量,提高空化严重时的断裂扬程;初生空化余量NPSH_i与叶轮进口几何形状有关,为获得较小的初生空化余量,在水力设计过程中,须采用使入口喉部面积减小的措施。     

V型液压阀口节流特性多目标优化

提出了用来衡量V型节流阀口节流特性指标:等效水力直径曲线Dh2的斜率dV2、阀口压降分配系数k、节流空化指数曲线σ2-X的值σ2A1in、σ2A1out。利用正交试验设计结构参数样本,运用模糊隶属度分析方法得到了节流特性较优的节流阀口结构参数组合。与初始的节流阀口结构相比较,其中dv2相对初始结构提高了177.19%;阀口压降分配系数k增加了149.98%,使阀口压降过分集中得到了缓解;空化集中截面A2附近的空化指数σ2A1in,σ2A1out分别下降了0.31%和14.99%,在一定程度上减轻了V型节流阀口的空化现象。     

791翼型非定常空化流动数值计算研究

采用DES湍流模型对791翼型在2°攻角及雷诺数为2.1×105的来流条件下,空化初生以及片状空化阶段三维非定常流动的结构进行了数值模拟,初步揭示了其流动特征。在空化初生阶段,空化初生的起始位置位于翼型最大厚度处,且展向外缘处的小空泡脱落呈周期性变化。片状空化空穴U型结构演变阶段,其空穴长度演变呈现出回缩-生长-回缩的明显特征。片状空化空泡脱落时,在指向翼型前缘发展的回射流和指向翼型展向中间截面的侧向射流相互耦合下,U型结构的两侧中部部分空泡开始脱离主体,向中间截面流动。U型结构两侧上的回射流是导致U型空穴回缩的主要原因。     

绕水翼空化非定常的动力特性

采用试验的方法研究绕水翼空化流动的非定常流体动力特性。试验在一闭式空化水洞针对一Clark-y型水翼进行。采用高速摄像技术观测不同空化阶段的空穴形态;应用自开发软件分析空穴形态随时间的变化;测量翼型所受的升阻力和升力方向的加速度;对上述的数据进行频谱分析。试验结果表明,绕水翼空化流动中,空穴形态及其对应的动力特性随时间的变化过程存在两种不同的模式。当4σ/2α6时,空穴平均相对长度为l/c0.7,由空穴形态和升力系数得到的功率谱峰值对应的斯特劳哈尔数大于0.3;当σ/2α4,空穴平均相对长度为0.7l/c1.0,绕水翼空化流动呈现明显的非定常性,翼型吸力面出现了大量空泡团周期性的脱落,升力系数功率谱峰值对应的斯特劳哈尔数在0.18左右,空泡团脱落频率不随空化数的变化而改变。     

自激振荡脉冲射流喷嘴的修正空化模型

根据自激振荡脉冲射流喷嘴中的空化发生机理,一种考虑剪切力(包括雷诺剪切力和粘性剪切力)和由湍动能产生的压力脉动对空化影响的修正空化模型被提出来提高喷嘴内流场的模拟精度。修正空化模型通过用户自定义函数UDF挂入到Fluent中定义空化压力属性。采用该修正空化模型模拟计算所得到的不同入口压力和腔径条件下的喷嘴出口压力峰值与以往的实验结果吻合得很好,验证了该修正空化模型的正确性。进一步对剪切力和由湍动能产生的压力脉动对空化的影响进行了分析,并且研究了不同入口压力条件下这两个因素对空化发生的影响的强弱程度以及空化初生的能力。     

二级节流阀口空化特性表征研究

探讨了二级节流阀口空化概率的表征,并在经典空化数σ基础上提出了适用于二级节流阀口空化剧烈程度表征的空化指数计算式。在节流阀口空化表征基础上研究了U形和V形节流阀口的空化特性曲线,得出如下结论：U形和V形节流阀口的空化气蚀剧烈区始终集中在较小过流截面A2上,并且当阀口体积流量方向反转时节流空化特性表现出明显差异;当流体流入过流截面A1时A2截面上的空化指数要大于流体流出过流截面A1时A2截面上的空化指数,从宏观上则反映为流入截面A1时的体积流量要小于流出A1时的体积流量。     

绕水翼空化流场的数值模拟与试验研究

采用试验研究与数值模拟相结合的方法研究绕水翼ys930的非定常空化流场结构,试验采用高速数码拍摄技术观察在10°攻角下的片状和云状空化随时间的结构变化;数值模拟针对应用较多的RNG k-二方程湍流模型做适当修正,分析片状空化及云状空化时的非定常空化流场结构、流动特性及空泡演化过程。结果表明,数值模拟得到的水翼空化流动现象和试验观察到的结果基本一致,验证计算模型和数值方法的可靠性;在片状空化阶段,空泡长度变化不明显,空穴尾部边界存在小幅度波动,空穴总体相对比较稳定;云状空化阶段,空穴分为两部分:一部分为空泡主体,稳定地附着在水翼吸力面上,随时间推移逐渐长大,达到最大空泡长度后出现回缩;另一部分为空泡附体,为周期性非定常汽液两相运动区域。云状空泡的形成和发展过程均伴有压力的波动,在一个空泡生长周期内,压力面压力系数几乎不受空泡变化的影响,吸力面压力系数在空化数的负值附近小幅度波动。     

不同温度水体空化水动力脉动特性的试验研究

为研究热力学效应对空化水动力脉动特性的影响,采用试验的方法研究温度为279 K、298 K和318 K时绕水翼的非定常空化流动特性。试验在闭式水洞中进行,采用高速摄影的方法观察不同温度下绕水翼的空穴形态,采用测力系统测量水翼受到的升阻力,并对升力信号进行频谱分析,得到水翼升力在非定常空化阶段的频率特征。结果表明,相同空化数条件下,随着温度的升高,平均升阻力系数降低,升力系数波动程度降低;温度对升阻力系数的影响随着空化数的升高而降低。在不同的空化发展阶段下,温度对升力系数影响的规律不同,空化形成和片状空化阶段,温度对升力系数影响较小;云状空化阶段,温度对升力系数影响较大。之所以出现上述规律是因为在同一空化数下,随着温度的升高,空化区域减小;而空化区域越大,温度对空化流动的影响则越大。     

非线性空泡模型在轴流泵空化模拟中的评估分析

为了提高传统空化模型预测轴流泵空化特性的能力,提出了一种基于非线性Rayleigh-Plesset方程的空泡动力学模型,联立两相-3种组分的均相流假设,建立了一种非线性空化模型。分别采用非线性模型及传统的Schnerr-Sauer模型对比转速n_s=692的轴流泵叶轮内空化流动进行数值计算。研究发现:非线性模型预测的轴流泵空化性能曲线与实验测量值吻合更好,叶顶间隙内附着型空化长度随着空化数的降低呈现先缓慢增长后迅速增长的规律;当轴流泵叶片吸力面发生严重空化时,空化区域的后部靠近轮毂的位置空泡体积分数发生了急剧变化,该处最容易发生空蚀破坏。     

Scale effects on propeller cavitating hydrodynamic and hydroacoustic performances with non-uniform inflow

Considering the lack of theoretical models and ingredients necessary to explain the scaling of the results of propeller cavitation inception and cavitating hydroacoustics from model tests to full scale currently, and the insufficient reflection of the nuclei effects on cavitation in the numerical methods, the cavitating hydrodynamics and cavitation low frequency noise spectrum of three geometrically similar 7-bladed highly skewed propellers with non-uniform inflow are addressed. In this process, a numerical bridge from the multiphase viscous simulation of propeller cavitation hydrodynamics to its hydro-acoustics is built, and the scale effects on performances and the applicability of exist scaling law are analyzed. The effects of non-condensable gas(NCG) on cavitation inception are involved explicitly in the improved Sauer’s cavitation model, and the cavity volume acceleration related to its characteristic length is used to produce the noise spectrum. Results show that, with the same cavitation number, the cavity extension on propeller blades increases with diameter associated with an earlier shift of the beginning point of thrust decline induced by cavitation, while the three decline slopes of thrust breakdown curves are found to be nearly the same. The power of the scaling law based on local Reynolds number around 0.9R section is determined as 0.11. As for the smallest propeller, the predominant tonal noise is located at blade passing frequency(BPF), whereas 2BPF for the middle and both 2BPF and 3BPF for the largest, which shows the cavitating line spectrum is fully related to the interaction between non-uniform inflow and fluctuated cavity volume. The predicted spectrum level exceedance from the middle to the large propeller is 6.65 dB at BPF and 5.94 dB at 2BPF. Since it just differs less than 2 dB to the increment obtained by empirical scaling law, it is inferred that the scale effects on them are acceptable with a sufficient model scale, and so do the scaling law. The numerical implementation of cavitating hydrodynamics and hydro-acoustics prediction of propeller in big scale in wake has been completed.     

管道节流过程中气蚀的数值模拟

应用数值模拟的方法,对流体在圆形、六边形、正方形、渐缩及渐扩几种不同几何形状和尺寸的节流管道中流动时所产生的气蚀现象进行数值计算,模拟流体在管道节流过程中气蚀的发生过程,分析不同节流断面形状节流管道的含气量分布、沿程含气量、沿程压力变化等规律。数值计算的结果表明,在所计算的不同断面形状节流管道中,渐缩形节流管道中气蚀发生的区域最小。同时,还对具有较好气蚀特性的几种不同长度渐缩形节流管道进行模拟计算,结果显示,节流段长度对气蚀的存在区域有重要影响,随节流段长度的增加,气蚀区域向下游的发展范围逐渐加大。此外,对各种断面节流管道中气蚀产生的位置进行预测,并对气蚀形成的机理及影响因素进行分析。     

CFD在计算船舶螺旋桨敞水性能中的应用研究

对流场中螺旋桨的敞水性能进行研究。利用Pro/E软件对螺旋桨进行三维建模,通过剖面坐标转换绘出桨叶的剖面型线,利用创建实体功能得到螺旋桨实体模型。用CFD软件对螺旋桨在不同进速系数下的推力系数、转矩系数以及推进效率进行模拟,并且对三种湍流模型的计算结果进行比较分析。对采用Fluent软件计算螺旋桨敞水性能的过程进行详细介绍,并给出敞水性能曲线的计算结果。与试验结果的比较分析表明,数值模拟的结果可以满足工程应用要求。     

半浸式螺旋桨水动力性能的数值模拟研究

针对半浸式螺旋桨的水动力性能问题,应用CFD方法对其流场进行了数值模拟研究,并把结果与实验进行比较。通过求解雷诺平均方程(RANS)来模拟流场,采用SST k-ω湍流模型来计算RANS方程中的雷诺应力。利用Fluent中的明渠流动(Open Channel Flow)功能模拟空泡水筒中的气液两相流动,采用VOF方法捕捉自由液面。应用滑移网格法完成搅拌桨的转动,实现了对一个五叶右旋半浸式螺旋桨的数值模拟。研究结果表明,桨的尾流场形态与实验结果吻合地较好,证明了CFD方法预测半浸式螺旋桨性能的有效性。在较低浸入深度时,数值模拟可以很好地预测半浸式螺旋桨的性能。随着浸入深度的增加,推力系数和效率的预测结果基本准确,扭矩系数的预测结果有一定偏差。从数值计算结果中,可以获得宏观力的脉动曲线和完全入水桨叶的压力分布,并且可以对桨叶出水和入水过程进行详细的研究。     

泵空化现象的研究综述

介绍了空化现象发生的主要原因以及空化与空蚀对泵水力机械性能的影响,分析了影响泵空化性能的因素,阐述了对泵的空化现象的研究方法与空化监测,最后从4个方面介绍了为防止泵发生空化现象而相应采取的措施。     

混流式喷水推进器空化性能数值分析

基于RANS方程,结合切应力输运湍流模型计算某混流式喷水推进器无空化状态时的流体动力性能。与厂商提供的数据对比表明,建立的数值模型和计算方法是可信的。在此基础上,嵌入基于Rayleigh-Plesset方程的混合物均相流空化模型,对空化条件时该喷水推进器流体动力性能进行数值计算与分析。计算得到的功率、推力等宏观量与厂商提供的数据吻合较好。计算得到空化发生时的临界进口速比值。计算结果表明,喷水推进器叶轮发生空化时,泵的流量、扬程明显降低,进而引起推力下降;在等功率条件下,随着进口速比的降低,喷水推进器叶轮空化程度越来越严重;进水流道空化的发生较喷泵叶轮空化滞后,喷口部分仅产生空间空化,较叶轮空化提前,而固壁上不产生空化;数值计算结果还证明空化限制线即为等汽蚀比转速线,且空化限制线1、2、3对应的汽蚀比转速分别约为1 280、1 390和1 580。     

Experimental study on unsteady characteristics of the transient cavitation flow

The characteristics of unsteady cavitation flow under different cavitation numbers are investigated experimentally. An optical test rig is designed to visualize the cavitation flow and the cavity length is defined based on high-speed camera technology. The development of cavitation flow can be divided into inception and fusion region, expansion region and collapse region. Due to the interaction between the re-entrant jet and the cavity interface, the cavitation bubbles near the solid wall collapse earlier than them in the downstream. The cavitation number is also the important factor determining the cavity length pulsation. Further analysis shows that the smaller the cavitation number, the smaller the frequency of cavity length fluctuations and the larger the mean cavity length. The cavitation intensity is stronger at lower cavitation number. Meanwhile, the cycle collapsing frequency of cavitation is around 220–320 Hz. With the decrease of cavitation number, the amplitude of cavitation pulsation increases while the corresponding collapsing frequency decreases.     

孔隙高速流动中的气穴观测与噪声特性

为研究阀口高速流动中的旋涡空化机理及其与噪声特性的关系,运用高速摄像、噪声频谱分析等手段对典型阀口孔隙节流处的流场及流动现象进行分析.利用高速摄像机在微距模式下对阀口流场进行观测,最高拍摄速度达120 000幅/s.研究发现空化的产生与流动分离受背压的影响最为明显,进口压力对气穴形态及噪声影响次之;孔口较深时,不同流动参数下气穴初生的位置始终位于节流边与孔壁相交的锐缘区附近,随着阀口开度的变化,初生位置稍有变化.频谱分析同时表明,气穴的形态和尺度是影响噪声的最重要因素之一.     

Unsteady cavitation characteristics and alleviation of pressure fluctuations around marine propellers with different skew angles

Cavitating flow around two marine propellers with different skew angles, a conventional propeller (CP) and a highly skewed propeller (HSP), operating in the non-uniform wake was simulated using a mass transfer cavitation model and the k-omega SST turbulence model. The numerical model reasonably predicted experimental data for the unsteady cavitation patterns as well as the oscillation amplitudes of the dominant pressure components. The results indicate that the effect of skew angle is very important on the cavitation characteristics as well as the pressure fluctuations and that the amplitudes of pressure fluctuations for the HSP are 50～70% less than that for the CP. Therefore, the skewed propeller will reduce noise and vibration compared to the conventional propeller. Furthermore, the numerical model verified the relation between the hull pressures and changing cavitation patterns as the blades sweep through the high wake region. The results demonstrate that volumetric acceleration of entire cavity around a propeller blade is the main reason for the pressure fluctuations, which agrees with previous experiments.     

围压下自振喷嘴空化起始能力试验及应用研究

开展喷嘴空化起始能力研究,对增大射流破岩效果,提高深井钻井的速度具有非常重要意义。利用瞬态流和水声学原理设计研制了自振空化喷嘴,通过试验研究了该喷嘴的空化起始能力,并与锥形喷嘴进行了比较,结果表明在更深的井底或更高的围压条件下,自振空化喷嘴比普通锥形喷嘴具有更大的起始空化数和更强的空化起始能力,最大起始空化数达1.67,而锥形喷嘴最大值仅为0.54。现场试验也证实了自振空化喷嘴钻头在增加进尺、提高机械钻速方面有更显著作用。