三维扭曲水翼空化现象CFD模拟

为研究三维扭曲水翼在空化数σ=1.07时的空化现象,以CFD方法为手段,利用Fluent软件中的Schnerr and Sauer空化两相流模型和RNG k-ε湍流模型对Twist-N11扭曲水翼进行了模拟,得到了空泡形态及空泡周围流场细节.分析发现空泡的产生和大小与水翼各断面的攻角有关,攻角越大,产生空泡的可能性就越大.由于空泡的存在,水翼上表面的流线被抬高,并且在空泡后形成了回流漩涡区.这种现象一方面会增大水翼的阻力,另一方面漩涡的不稳定演化会进一步影响空泡的大小和形态,甚至可能导致空泡脱落.本研究可为扭曲水翼的非定常空化特性研究提供有力基础.     

绕三维扭曲水翼非定常空泡脱落特性的数值研究

为了进一步探究绕三维扭曲水翼空化流动结构的非定常演变特性,基于均质流模型,采用大涡模拟(LES)方法,并耦合Zwart空化模型对绕扭曲水翼(NACA0009)的非定常空化流动进行了数值计算。结果表明:与试验结果对比发现,该数值计算方法可以很好地捕捉到绕NACA0009水翼的非定常空泡形态的演变过程,且计算得到的水翼升力系数的时均值及其特征频率均与实验值吻合较好。非定常空泡的脱落过程分为主脱落和二次脱落两个阶段,主脱落过程表现为大尺度空泡团的断裂,呈U型结构卷起并脱落,此时水翼表面的附着空泡呈凹形结构。随着时间的推移,附着空泡的两侧发生小尺度空泡团的二次脱落,产生局部高压,抑制了当地空泡的生长速度,从而使附着空泡由凹形结构逐渐发展为凸形结构。     

绕不同扭曲水翼的空穴发展及其水动力特性研究

针对水力机械叶片表面的空化问题,作者开展了绕不同扭曲水翼的空化流动特性的数值研究,采用均质流模型并耦合大涡模拟方法(LES)和Zwart空化模型计算了绕NACA0009和Clark-Y两种扭曲水翼在不同空化数下的空化流动。结果表明：绕不同翼型的空穴发展随着空化数变化呈现明显不同的特性。相比于NACA0009翼型,绕Clark-Y翼型的空穴尺度随着空化数的减小而增大的幅度更明显,对空化数更为敏感。绕NACA0009翼型的空穴可以将翼型导边完全覆盖,而Clark-Y翼型导边的两侧并没有被空穴覆盖。另外,绕NACA0009翼型的空穴更容易出现准周期性变化和形成U型涡结构的脱落空泡团。不同翼型的升力系数的变化规律也显著不同,Clark-Y翼型的时均升力系数均显著大于NACA0009翼型。随着空化数的减小,相比于Clark-Y翼型,NACA0009翼型的升力系数更容易出现准周期性变化。     

绕不同扭曲水翼的空穴发展及其水动力特性的数值研究

针对水力机械叶片表面的空化问题,开展了绕不同扭曲水翼的空化流动特性的数值研究。采用均质流模型并耦合大涡模拟方法(LES)和Zwart空化模型,计算了绕NACA0009和Clark-Y两种扭曲水翼在不同空化数下的空化流动。结果表明:绕不同翼型的空穴发展随着空化数变化呈现明显不同的特性。相比于NACA0009翼型,绕Clark-Y翼型的空穴尺度随着空化数的减小而增大的幅度更明显,对空化数更为敏感。绕NACA0009翼型的空穴可以将翼型导边完全覆盖,而Clark-Y翼型导边的两侧并没有被空穴覆盖。另外,绕NACA0009翼型的空穴更容易出现准周期性变化和形成U形涡结构的脱落空泡团。不同翼型的升力系数的变化规律也显著不同,Clark-Y翼型的时均升力系数均显著大于NACA0009翼型。随着空化数的减小,相比于Clark-Y翼型,NACA0009翼型的升力系数更容易出现准周期性变化。     

绕圆盘钝体空化绕流现象的试验与数值模拟

通过试验研究与计算流体力学(CFD)数值分析相结合的方式深入研究了在不同空化阶段,绕圆盘钝体的非定常空化流动现象。试验和计算中,保持雷诺数不变,通过改变环境压强获得了不同空化数。试验在高速空化水洞中完成,采用高速摄像技术观测了各个空化阶段绕圆盘钝体的空穴形态,数值计算采用了汽-液两相的均相流模型,湍流模型和空化模型均分别采用基于密度函数分域的闭合方式,数值计算结果与试验结果吻合较好。研究结果表明,在不同空化阶段,绕圆盘钝体非定常空化流场呈现不同的阶段性特征,空化流场结构与形态存在很大的差异,随着空化数的减小,空化流场经历了小尺度空泡团的脉动—不稳定团状空化—稳定超空化等阶段,在空化的发展过程中,存在强烈的汽、液相间的质量和动量交换。     

水下射弹空化器参数对自然超空泡形态的影响

为获取有效减阻的自然超空泡形态特性,利用CFD商业软件Flunt 6．0,基于均匀多相流假设,建立了水下射弹自然超空泡流动的多相流模型。在射弹最大初速度500m／s、最小空化数为0．00155的条件下,计算了圆锥和圆盘两种空化器头部射弹模型的超空泡形态。分析了头型、直径、锥角、空化数等对自然超空泡形态特性的影响。仿真结果表明：自然超空泡的尺寸变化主要取决于空化数与空化器参数;圆盘头型空化器更利于射弹超空泡的形成：空化器的直径和锥角过小都不易产生自然超空泡。     

变攻角圆盘空化器生成自然超空泡数值模拟

基于结构化网格,运用N-S方程及k-ε湍流模型对均质流场求解,引入Rayleigh-Plesset方程模拟超空泡问题.对三维圆盘空化器在不同空化数情况下进行超空化流动数值模拟.将三维无攻角圆盘空化器的仿真结果与经验公式进行对比,二者具有良好的一致性.并且解决了带攻角圆盘空化器生成超空泡的数值模拟问题,详细分析了不同攻角圆盘空化器生成自然超空泡的形态特征以及升阻力特性.     

绕水翼非定常云空化流动的大涡模拟

该文基于N-S方程及压力隐式分裂算法,考虑气液间相变,采用大涡模拟湍流模型和流体体积法研究了绕NACA0015水翼非定常云空化流动特性.分析了包括初始涡、回射涡、空泡分离及空泡再生的周期性脱落过程,计算了斯德鲁哈尔数St、无量纲空泡长度和不同空化数下的水动力系数,计算结果与实验结果吻合.Kunz模型和Sauer模型对空泡形态的模拟结果表明,两种空化模型都能很好地模拟非定常云空化流动.     

水翼空化流场的调控和优化研究

为抑制水力机械中水翼绕流流场空化的形成和发展,通过对比分析NACA0009、NACA0012以及Clark Y 3种经典水翼不同攻角和空化数工况下的性能,获得型线优化思路,建立了新水翼。进一步地,在新水翼上布设多个流动控制结构,通过广义模式搜索算法进行快速优化设计,对空化流场进行整体控制和局部调控。研究结果表明：新水翼吸力面凸起高度介于NACA0012和Clark Y水翼之间,最大凸起高度位置后移;新水翼的空化性能和水动力性能提升,升阻比最大提高48.8%,空泡脱落和回射流发展得到抑制;在新水翼吸力面均匀布设的多个控制结构能够对回射流起到连续抑制作用,改善压力分布;通过优化算法实现了控制结构设计的精准快速寻优,优化后的水翼性能得到了进一步提升,升阻比继续提高4.8%～13.6%,空化厚度与长度减小。型线优化和添加连续流动控制结构实现了空化流场的整体和局部控制,是提高水翼的空化和水动力性能的有效方法。     

绕Hydronautics水翼超空化的发展及其形态特征

为深入了解超空化流动机理,采用高速录像和图像处理技术,观测了绕Hydronautics水翼的超空化流动形态. 结果表明,超空化的发展经历了空穴形成、两相共存和完全发展3个阶段. 空穴开始形成时,空化区域充满了均匀分布的水、汽混合介质,空穴尾部处于不稳定状态;两相共存阶段,临近水翼区域形成透明的纯汽相区,空化区域后部仍是水汽混合的两相区;在完全发展阶段,汽相区已经占据了空化区域的绝大部分,水汽混合区呈窄带状分布,整个流场已基本处于准稳定状态.     

考虑当地流动特征的Zwart-Gerbera-Belamri空化模型改进及应用

为减小Zwart-Gerbera-Belamri空化模型中经验参数取值对数值模拟结果的影响,基于当地流动特征修正了Zwart-Gerbera-Belamri空化模型.联立Realizable k-ε湍流模型,分别采用修正前后的Zwart-Gerbera-Belamri空化模型对二维NACA0009 MOD水翼空化流场进行了数值模拟,空化数范围为0.75~0.90.并采用修正前后的Zwart-Gerbera-Belamri空化模型对二维Clark-Y水翼的初生空化、片状空化、云空化进行非定常数值模拟,空化数范围为3.00~0.55.将数值模拟结果与已有实验结果进行对比,结果表明:引入当地流动特征可以有效减小Zwart-Gerbera-Belamri空化模型中的气泡半径及气核体积分数的取值对数值模拟结果的影响,且修正后的空化模型能够捕捉不同空化数下绕Clark-Y翼型的时均升阻力系数的变化趋势.      

两种空化模型计算二维水翼空化流动研究

采用混合多相流模型和空化模型对攻角为6.5°的NACA66型二维水翼的空化流动进行数值研究.使用Singhal全空化模型(FCM)和Zwart-Gerber-Belamri(Z-G-B)空化模型,以实验数据为基准,对这两种空化模型得到的翼型表面压力分布系数和升、阻力系数以及流场结构进行了比较和分析,结果表明:FCM中,不凝结气体质量分数对计算结果影响较大,空化区长度随着不凝结气体质量分数的减小而变小;Z-G-B空化模型中,蒸发系数和凝结系数对结果有较大影响.总体说来,通过选取合理的经验系数,两种空化模型都给出了令人满意的空化流动结果.     

带尾翼高速射弹自然超空泡流特性研究

为了获得良好的超空泡减阻效果,针对某30 mm带尾翼高速射弹,设计了其空化器结构参数,研究了尾翼射弹的空泡轮廓、射弹表面空泡厚度分布、运动攻角对其空泡形态的影响,计算了超空泡形态下不同攻角时带尾翼射弹的水动阻力、升力、稳定力矩等参数;对比研究了带尾翼高速射弹和普通射弹的运动稳定性,给出了2种射弹的摆动攻角曲线.研究结果表明,尾翼结构不改变射弹的超空泡形态参数,但影响其表面空泡厚度分布;尾翼结构对射弹的超空泡形态、阻力特性影响很小,可大大提高射弹的运动稳定性.     

热力学效应对液氮空化流动的影响

为了研究低温流体空化流动特性,采用数值计算的方法研究了液氮空化流动特性.计算中应用二次开发方法在商业软件CFX中引入修正的Kunz空化模型及能量方程,其物性参数随流场温度变化而不断更新.对绕翼型和对称回转体在液氮中的空化流动进行了计算,基于计算结果分析了热力学效应对空化特征的影响.结果表明,计算与实验的结果基本一致.当液氮工作温度接近临界点时,热力学效应更加显著.它主要表现在空穴变短、蒸气体积分数减少和汽液界面变得模糊.在空化产生的区域,流场的温度由于吸收蒸发潜热降低,在空穴尾部区域,空穴溃灭释放潜热而导致温度升高.同时发现,由于热力学效应温降在0.5～2.5K之间.     

Validation of full cavitation model in cryogenic fluids

Numerical simulation of cavitation in cryogenic fluids is important in improving the stable operation of the propulsion system in liquid-fuel rocket. It also represents a broader class of problems where the fluid is operating close to its critical point and the thermal effects of cavitation are pronounced. The present article focuses on simulating cryogenic cavitation by implementing the “full cavitation model”, coupled with energy equation, in conjunction with iterative update of the real fluid properties at local temperatures. Steady state computations are then conducted on hydrofoil and ogive in liquid nitrogen and hydrogen respectively, based on which we explore the mechanism of cavitation with thermal effects. Comprehensive comparisons between the simulation results and experimental data as well as previous computations by other researchers validate the full cavitation model in cryogenic fluids. The sensitivity of cavity length to cavitation number is also examined. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 50706042)     

垂直轴风力机二维流场数值模拟

采用数值模拟的方法研究不同攻角、不同风速条件下naca0015翼型二维流场中的马赫数、雷诺数．通过比较叶片升、阻力系数变化,得出攻角为15°时翼型获得最佳的升、阻力系数．通过比较表面压强分布图、速度图和流线图,分析马赫数、雷诺数对naca0015翼型的影响,得出在相同的攻角、马赫数的条件下．随着雷诺数的增大翼型升力系数增大．阻力系数变小;在小攻角、低风速以及相同马赫数条件下,雷诺数较小时更易获得稳定的流场．     

水翼多模态的空化结构演化与空腔溃灭压力的耦合特性

采用可压缩的数值方法计算了不同空化数下绕流水翼的空化流场, 分析了非定常空化流动中空化结构的脱落模式、溃灭过程, 以及压力波的释放、传播及其与残腔的耦合特征. 结果表明: 可压缩数值模型能够捕捉局部腔体溃灭时压力波的释放、传播和回弹现象; 不同空化数下存在不同的腔体脱落、溃灭模式; 在特定的空化数下, 可能会在一个大的空化结构脱落循环周期内包含多个动力学演化过程, 空化结构的溃灭也会诱导多个压力脉动峰值, 并对剩余残腔总体产生抑制作用; 由凝聚激波诱导的残余腔体溃灭具有持续时间长、压力脉动幅值小的特点; 而大尺度云空化脱落腔体溃灭时释放的压力波持续时间短、脉动幅值大, 这些都可能造成机械结构振动和空蚀破坏.     

附着空化流动下离心泵水力性能数值预测

采用改进的空化模型和算法，同时耦合黏性Reynolds-Averaged Navier-Stokes方程求解技术，对空化流动条件下离心泵的水力性能进行了数值预测研究．采用具有试验数据的拱形头部圆柱体空化绕流考核了所提出的空化模型和算法的准确性和可靠性．采用数值方法研究了不同流量系数下离心泵水力性能与空化系数之间的关系，预测了空化系数对离心泵叶轮表面附着空化气泡形状的影响．数值结果表明，在相同的流量系数下，存在着临界空化系数，在临界空化系数时离心泵的水力性能突然下降，空化系数越小，离心泵叶轮表面的附着空化空腔越大，同时造成水力性能下降的越快．研究结果证明了所提出的空化模型和算法能够应用干水力流体机械宅化流动时的性能预测。     

A modified density based cavitation model for time dependent turbulent cavitating flow computations

The predictive capability of transport equation-based cavitation models including the Kubota cavitation model (Model-1) and interfacial dynamics cavitation model (Model-2), is evaluated for the attached turbulent cavitating flows. In this study, the test problem is the unsteady cloud cavitating flows around a Clark-Y hydrofoil. Based on the evaluations of existing models, we identified the differences between these two vaporization and condensation processes in the affected region, and provided a modified density based cavitation model (Model-3). The numerical results of the cavity shapes, velocity distributions and dynamics of the cavity oscillations were compared to existing experimental data. Compared with the other cavitation models, a significant improvement for the numerical results of unsteady cavitating flows has been obtained with the new model. Our study provides the information for further modeling development.