NUMERICAL SIMULATIONS OF 2D PERIODIC UNSTEADY CAVITATING FLOWS

1. INTRODUCTION Cavitation is a natural phenomenon especially existing in liquids. A cavitating flow generally involves a large number of vapor structures such as bubbles or vortices which are convecting downstream. When they reach high pressure zones, th…     

振荡翼改进运动模型的能量捕获性能分析

为了提高振荡水翼的水动力性能和能量捕获效率,基于传统简谐运动模型提出改进运动模型,通过引入俯仰运动系数k,推导改进后俯仰运动规律的一般形式,利用Fluent软件建立水翼的二维模型,综合分析半主动振荡模型下不同俯仰运动系数、折算频率和俯仰振幅等运动参数对水翼能量捕获性能的影响。结果表明:与传统简谐运动模型相比,改进运动模型能够使水翼升力系数在较长时间段内维持较大数值,提高水翼的升力系数和捕能效率;在相同的折算频率和俯仰振幅下,减小俯仰运动系数会增大俯仰角转动的角速度,进而增大俯仰运动所消耗的能量;不同俯仰振幅下对应不同的最优折算频率,折算频率越低水翼的捕能性能越不稳定,俯仰振幅越大,转动俯仰角所消耗的能量越多。在给定参数条件下,水翼的能量转化效率可超过40%。     

低固相含量液流中磨蚀翼型空化特性研究

针对水力机械内部空蚀及泥沙磨损联合作用破坏问题,探索空化促进磨损破坏的方式.在闭式循环装置的收缩-扩散实验段中,采用激光-CCD系统获取低固相含量下空化场中翼型表面多个断面的空穴结构分布,分析了空穴结构空间分布规律及其初生、发展、脱落、溃灭的周期性行为特征.针对空穴结构分布,采用了一种基于统计原理的图像处理方法,获得了空泡云平均值及标准差值的灰度分布,前者为流场中各位置的空化程度,后者为各位置空泡云体积变化率的分布.结合已有的空蚀磨损研究成果认为,水力机械内部空化促进颗粒磨损的方式取决于空穴结构及其体积变化率在流场中的分布规律.     

气液两相机械搅拌釜中翼型组合桨持气特性

研究了机械搅拌釜中翼型组合桨的组合方式、桨间距、通气位置及翼型桨的排出流方向对气含率的影响。在单位体积功率消耗相同的情况下,采用以翼型k5桨为下层桨、较低的通气位置及较大的桨间距为搅拌釜的几何结构,并采用翼型桨的排出流方向向上的搅拌方式,可以提高搅拌釜的气含率。给出了气含率与单位体积功耗和表面气速的关联式。     

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。     

水翼剖面多目标粒子群算法优化

船舶螺旋桨及舵均由水翼剖面组成,为了提高桨、舵的水动力性能,需要对水翼进行优化设计,以便得到水动力性能更好的桨及舵。提出一种基于线性权重处理的多目标优化算法,以降低阻升比和改善水翼表面压力分布为优化目标,将其应用到多目标水翼优化中。分别选取不同的攻角、不同翼型和不同的翼型表达函数进行优化设计。优化后得到的新翼型相对于原始翼型,具有低阻生比和较低的最小负压力系数,提高了翼型的升力效率和空泡性能。因此,验证了提出的多目标粒子群算法能够应用到多目标翼型优化设计的可行性。     

基于数字图像处理的柔性水翼形变测量

针对振荡水翼式潮流能发电装置中柔性水翼的形变测量问题,设计了一套基于高速相机的非接触式测量系统,可在不影响水翼水动力学特性的前提下,连续采集水翼运动过程中的图像并计算水翼形变。建立了图像坐标系和水翼世界坐标系的坐标转换模型,给出了相关参数的标定方法和形变的计算公式。提出了一种基于Canny算子的水翼迎流面边缘检测方法,给出了边界的多项式拟合算式,从而可计算出水翼迎流面边缘上任一点的形变。设置了不同实验条件进行了验证,识别出的水翼总长度误差在2%以内,形变量符合实际规律。实验结果表明该方法能够有效测量水翼迎流面边缘上任一点的形变,且具有现场布置简单、不影响水动力学特性的优点。     

海龟柔性前肢仿生推进研究

为探讨水翼法推进方式,进行了海龟柔性前肢仿生技术研究.基于水翼法运动解析,研究了海龟柔性水翼的弦向形变特征、反卡门涡街脱泻及斯特劳哈尔数等,推算出水翼尾涡脱泻的斯特劳哈尔数位于0.2～0.45之间,雷诺数位于3×102～3×104之间;根据海龟水翼粘弹本构特性,研制了半骼式仿生柔性水翼,并对其进行柔性形变和组织模态分析...     

临界区雷诺数下翼型流场电磁力控制的脱体涡模拟

利用Maxwell方程直接数值计算表面包覆电极与磁极翼型产生的三维Lorentz力分布,将其加入到流体控制方程的动量方程中,采用脱体涡模拟方法对临界区雷诺数下受Lorentz力作用下翼型绕流场进行数值模拟,研究分析了电磁力作用系数和攻角对翼型绕流场结构及其升阻力系数的影响机理和规律。结果表明,Lorentz力可以有效地改善翼型周围的流场结构,达到减阻、增升、消涡以及延缓和抑制其失速的目的,因此是翼型的一种有效流动控制手段。     

Validation of dynamic cavitation model for unsteady cavitating flow on NACA66

Unsteady cavitating flow is extremely complicated and brings more serious damages and unignorable problems compared with steady cavitating flow.CFD has become a practical way to model cavitation;however,the popularly used full cavitation model cannot reflect the pressure-change that the bubble experiences during its life path in the highly unsteady flow like cloud cavitating.Thus a dynamic cavitation model(DCM)is proposed and it has been considered to have not only the first-order pressure effects but also zero-order effect and can provide greater insight into the physical process of bubble producing,developing and collapsing compared to the traditional cavitation model.DCM has already been validated for steady cavitating flow,and the results were reported.Furthermore,DCM is designed and supposed to be more accurate and efficient in modeling unsteady cavitating flow,which is also the purpose of this paper.The basic characteristic of the unsteady cavitating flow,such as the vapor volume fraction distribution and the evolution of pressure amplitude and frequency at different locations of the hydrofoil,are carefully studied to validate DCM.It is found that not only these characteristics mentioned above accord well with the experimental results,but also some detailed transient flow information is depicted,including the re-entrant jet flow that caused the shedding of the cavity,and the phenomenon of two-peak pressure fluctuation in the vicinity of the cavity closure in a cycle.The numerical results validate the capability of DCM for the application of modeling the complicated unsteady cavitating flow.