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。     

NACA 66_2-415水翼空化梢涡几何特征及涡唱频率分析

在一定的流动条件下,螺旋桨和水翼梢涡空化会伴随着涡唱现象。为了探究涡唱现象的产生机理与梢涡几何特征的关系,该文通过对NACA 66_2-415水翼空化梢涡高速摄像图像的定量处理分析,获得了涡唱发生前后空化梢涡的几何形态特征。发现未发生涡唱梢涡空化区域的形态不随时间而发生变化,呈现稳定的双螺旋形态;而涡唱产生时,梢涡空化区域在双螺旋结构基础上伴随一定频率的径向膨胀和收缩。通过高速摄像图像处理得到的空化梢涡振动频率、梢涡空化色散关系得到的理论拍振频率和圆柱泡本征频率与涡唱噪声频率之间的对比分析,发现梢涡径向振动频率与涡唱频率接近,表明空化梢涡径向膨胀收缩是涡唱产生的直接原因。     

梢隙流动空化初生及空化形态观测研究

该文描述了在小型多功能高速空泡水筒中,对NACA0012和NACA0024水翼进行梢隙流动空化形态观测,并分析其影响因素和发展规律。实验中通过高速摄像捕捉梢隙空化的结构形态与运动轨迹,分析其随间隙宽度、来流水速以及水翼攻角的变化规律。同时在不同的水速、攻角以及间隙宽度下记录水翼的初生空化数,重点分析了间隙宽度对不同水翼初生空化数的影响规律,发现存在某一间隙宽度使梢涡初生空化数达到最大值。     

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...     

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。     

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。     

梢涡涡核结构的PIV试验研究

涡流动是自然界普遍存在的复杂流动形式,梢涡流场结构与梢涡空化流动具有密切的关系,为了能更清楚认识梢涡空化,需要了解梢涡本身的流动特征,该文以NACA66椭圆水翼为试验对象,利用2D-PIV和2D-3C PIV测量技术在中国船舶科学研究中心的小型多功能高速空泡水筒中对水翼的梢涡流场进行测量,其中2D-PIV测量技术测量平行于梢涡涡带平面的二维速度场,2D-3C PIV测量技术测量垂直于梢涡涡带平面的三维速度场,通过梢涡不同截面的速度场分析了梢涡流场结构,获得了不同工况下的涡核位置、尺寸及速度分布,试验结果表明涡核中心在空间内具有摆动特性。     

不同空泡脱落模式下空化多尺度特性研究

云状空化是一种以相变为核心,包含多种尺度空泡生长演变行为的强瞬态多相流动现象。该文采用双向耦合欧拉-拉格朗日多尺度空化模型,模拟了空化数σ=1.2时,绕8°攻角三维NACA66水翼空化流动,通过VOF(volume of fluid)界面捕捉法求解欧拉体系下大尺度空穴演化,利用拉格朗日体系下的离散空泡模型(DBM)追踪亚网格尺度离散空泡运动及生长溃灭过程。结果表明：绕水翼云状空化流动,包含附着型片状空泡生长与发展、回射流产生与推进、云状空泡脱落和宏观片空泡再次生长以及压力波推进4个阶段。离散空泡数量及尺度随大尺度空穴周期性演变而变化,主要分布在强湍流脉动区。在各空化发展阶段,离散空泡集中分布在水翼中后部,微空泡直径概率密度函数均符合单峰Gamma分布,最高空泡数密度泡径为50μm。在湍动程度较小的附着型空穴生长阶段,微空泡数密度相对于空泡直径呈-5/3幂率特征;在湍动程度较大的回射流发展阶段、云状空穴脱落溃灭及压力波推进阶段,较小尺度的微空泡数密度相对于空泡直径呈-2/3幂率特征,较大尺度的微空泡数密度相对于空泡直径呈-6幂率特征。     

波浪对水翼非稳态空泡流动特性的影响研究

基于雷诺平均Navier-Stokes方程、Singhal-Et-Al全空化模型和修正的RNG k-ε湍流模型的VOF多相流动数学模型,采用PISO算法的有限体积法和数值水池技术,对波浪作用下NACA0012水翼的非稳态空泡流动特性进行了数值研究,分析了波高和水翼浸深对水翼非稳态空泡的形态演化和脱落频率的影响.计算结果表明:空泡非稳态周期性脱落频率随波高的增加而增加,随水翼浸深的增加而逐渐减小.与无波情况相比,空泡在波谷处提前断裂,空泡形态也因为波谷下方速度场的影响而向上鼓起.由于自由液面的界面效应,空泡形态较无界情况偏扁,并且液面对脱落涡系有吸引作用.     

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。     

小空化数下超空泡航行体的阻力特性试验研究

为了研究小空化数下超空泡形态航行体的阻力特性,针对带圆盘空化器头部的航行体设计加工了4种不同结构参数的航行体试验模型.并在水靶道中进行了这些模型的水下航行试验,航行体空化数接近10-4,试验中测量出航行体发射点和某点的航行速度,计算出航行体的平均空化数.数据处理后得到了航行体的平均阻力系数,分析了空化器直径、航行体长细比、空化数对航行体阻力特性的影响;还在试验数据基础上,分析了小空化下航行体的自然超空泡减阻率.结果表明:在超空泡形态下,空化数接近10-4航行体的超空泡减阻率可达98%.这个研究结果为进一步研究小空化数下航行体的水动力特性和弹道特性提供了理论参考和试验数据.     

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。     

空化对振动水翼附加质量和阻尼特性影响研究

抽水蓄能机组需频繁调节工况以适应电网需求。由此水力激振频率范围加宽,共振风险增加。附加质量和阻尼特性是评估共振工况点和共振幅值的关键参数。在空化发生时,叶片绕流流体从液相变成汽相,其复杂的流固耦合效应对叶片附加质量和阻尼特性产生影响。本文将叶片简化为NACA 0009水翼,探索了空化发生时基于双向流固耦合的附加质量和水力阻尼特性预测方法。结果表明,模拟得到的静水中固有频率和不同空化数下的空化脱落频率与实验结果吻合良好,相对误差分别在7.12%和8.76%以内。在空化数σ=1.04~2.02范围内,固有频率和水力阻尼随空化数的降低分别增大和减小,相对于实验的平均误差分别为9.69%和13.65%。内部流动分析表明反向射流导致前缘空化周期性脱落,吸力面的绕流速度下降则是空化发生后水力阻尼下降的主要原因。研究成果对抽水蓄能机组设计阶段预判空化时的叶片振动评估具有重要指导意义。     

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。     

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。     

绕二维对称水翼的通气空泡流数值研究

本文通过有限体积离散方法求解Reynolds平均Navler—Stokes方程，采用VOF法追踪气一液两相交界面。研究了在高压低速来流，即本质上不发生自然空化的条件下，绕二维对称水翼的非定常通气空泡流动。分析了物理参数——通气方向角和攻角，对通气空泡外形、稳定性及水动力参数的影响。计算结果表明：在通气空泡的形成过程中，通气方向角存在着一个临界值，使得空泡形态由片状空泡过渡到超空泡；特定的参数组合将会诱发空泡表面出现波动现象。而且，当攻角做周期性变化时，水动力参数的变化也随之满足周期性规律，且出现阶段性振荡。     

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。     

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。     

通气空泡重力效应研究

该文基于VOF方法和有限体积法,求解气水多相流动的RANS方程及标准湍流模式,研究了通气空泡的重力效应.结果表明模拟得到的绕圆盘通气空泡的重力效应与Buyvol的分类准则吻合,通过数值模拟复演了通气空泡的双涡管泄气模式;证实由于与尾空泡的相互作用,重力作用下绕航行体通气空泡在尾部附近出现下沉,航行体上的空泡截面呈现出"月牙"形;阻力随空化数而减小,并在空泡完全包裹住航行体前部锥段时出现突降.