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.     

调节阀内瞬态空化压力脉动特性分析EI北大核心CSCD

基于计算流体动力学方法,数值研究了液压调节阀内瞬态流动及其压力脉动特性。通过对近壁面的压力信号进行频谱分析,讨论空化形态的变化过程与壁面压力波动之间的关系。结果表明:调节阀内云状空穴变化呈现出准周期性的发展过程,空化频率为565 Hz,其空化变化过程包括:附着型空穴生长、附着型空穴断裂和脱落以及游离型空穴生长和溃灭;空穴尾部近壁面处的逆压力梯度是引起反向射流的主要原因,反向射流与主流相切形成漩涡,促使附着型空穴脱落;此外,空穴发展变化也对流道内压力脉动产生影响,阀内不同截面上的平均压力变化具有相同的主导频率,且该频率与附着型空穴非定常准周期生长、断裂、脱落频率基本吻合。     

绕振动水翼空化发展及水动力学特性研究

采用FBM湍流模型和Zwart空化模型对绕NACA0015型振动水翼的非定常空化流场进行了数值模拟,分析了处于不同的振动条件下、不同空化数的水翼周围空化现象的发展过程,并对水翼振动过程中的水动力特性与流场结构变化做出分析,结果表明：前缘涡对片空化发展的影响较大,前缘涡的存在会使空穴尾缘靠近翼型壁面侧出现反向射流,由于反向射流,片空穴的形状尺寸将会在一定范围内波动。在前缘涡与尾缘涡的相互作用下,反向射流沿翼型表面向其前缘移动,最终使前缘处附着的空穴发生剪切而断裂成两部分,并使依旧附着在水翼表面的空穴主体部分的发展速度减缓。振动水翼由于前缘涡与大尺度空穴的分离脱落导致了翼型水动力曲线出现波动,这是影响水翼水动力特性的主要因素。     

通气航行体表面压力脉动特性实验研究

通过水洞实验对水下通气航行体云状空泡进行了实验研究,对比分析了不同空化数下航行体表面压力脉动特性。为了研究通气空化的脉动特性,通过动态测力系统测量了航行体表面的压力,并对压力信号进行了频谱分析,得到了通气航行体表面压力在不同空化数下通气空化的频域特征。实验得到以下结论:通气空泡形态与其对应的表面压力脉动特征随着空化数的变化存在明显不同的非定常特性,通气空化流场形态与表面压力脉动特征频率有较高的相关性。并且不同空化数下通气空化压力脉动主要是由大尺度空泡周期性脱落引起,表面压力的特征频率与空泡的断裂脱落相对应;随着空化数的减小,航行体平均表面压力峰值逐渐增大,空泡脱落后表面压力波动逐渐趋于平缓。     

液压节流阀内非定常空化特性的数值分析

基于修正的RNG k-ε湍流模型并结合Schnerr-Sauer空化模型及多相流模型对液压节流阀内部非定常空化流动进行了数值计算,分析了节流阀内空化形态的周期性变化过程及其对应的内部流场的压力脉动特性,讨论了非定常空化形态演变与压力脉动之间的关系,同时研究了不同空化阶段对节流阀内速度场的影响差异。结果表明:节流阀内空化的发展是一种非定常的周期性过程,主要包括空化的产生、脱落以及溃灭;在空化初生时,不同位置截面在轴向速度分布上均未出现反向射流,但在空化溃灭阶段,不同位置截面在靠近壁面处均存在一个宽度大约1 mm的反向射流区,且不同截面位置所对应的反向射流的强度不同;阀口下游不同监测点处压力脉动的主频与空化结构演化的周期有着良好的一致性,此外还存在一个次级频率,对应为小尺度空化脱落、溃灭的频率。     

轴对称体空化水动力脉动特性的实验研究

为了研究轴对称体非定常空化的脉动特性,采用高速全流场显示技术和动态测力系统实验研究了绕半球型和平头轴对称体的非定常空化流场及其动力特性。实验在闭式水洞中进行,采用高速摄影的方法观察了在不同空化数下绕半球型和平头轴对称体的空穴形态,总结了在不同空化数下空泡形态的脉动特性;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,得到了轴对称体阻力在非定常空化阶段的时频特征。结果表明:空泡形态及其对应的动力特征随着空化数的变化存在明显的非定常特性,空化流场形态与动力特征频率存在高度的相关性。并且不同头型轴对称体的脉动特性存在明显的差异,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,空化流场的低频特征频率与空泡的大断裂相对应。     

附着型空穴断裂及脱落机制的实验研究

为深入研究附着型空穴断裂及空泡脱落机理,该文采用实验方法对收缩-扩张流道内的云状空化流动现象进行了研究。实验在空化水洞中进行,采用同步测量技术,通过高速摄像机和压力传感器同步获取了云状空化阶段的附着型空穴形态和壁面压力。研究结果表明,附着型空穴断裂及空泡脱落存在两种不同的机制:回射流机制和间断面推进机制。其中,回射流于附着型空穴尾部形成,紧贴壁面并持续向前推进,其厚度远小于附着型空穴厚度,在回射流向上游推进过程中,其覆盖区域壁面压力波动较小,当回射流运动到附着型空穴前缘,"剪断"附着型空穴,造成空穴断裂及脱落;附着型空穴内部形成的向上游推进的间断面是造成空穴断裂及脱落的另一种机制,间断面厚度为当地空穴厚度,间断面前后含气率差异较大,间断面前为高含气率的纯汽相区,间断面后为低含气率的水汽混合区。间断面向上游推进过程中,间断面位置处会出现压力尖峰,当间断面推进到喉口位置,带来喉口部位压力升高,降低了喉口位置空泡生成率,使得新生成的空泡与向下游运动的脱落型空泡分开,导致空穴断裂及脱落。     

水下开口腔体流激振动实验与仿真研究

采用实验与数值计算相结合的方法,研究流体流经开口腔时在开口处的压力脉动规律,以及开口腔在压力脉动作用下的振动特性。研究的内容主要有:通过实验和有限元/边界元方法获得开口腔模型在空气中和水中的模态振型以及频率;在开口腔的孔口后缘10毫米处布置一个压力传感器来测量流速对涡脱落频率的影响,通过开闭孔口的方式确认涡脱落的频率分量;使用大涡模拟计算得到不同流速条件下压力传感器对应位置的压力脉动规律,并与实验结果进行比较验证;在开口腔体侧面布置一个加速度传感器来测量不同流速条件下腔体结构振动情况;以CFD计算得到的压力脉动为输入,使用有限元/边界元方法计算得到加速度传感器对应位置处的加速度值,并与实验结果进行对比分析。     

基于拉格朗日方法的非定常空化流动研究

采用基于拉格朗日体系的有限时间李雅普诺夫指数、拉格朗日拟序结构和粒子追踪方法对绕水翼典型非定常云状空化流场进行研究。采用计算流体动力学方法获得空化流场数据数值,湍流模型采用经典大涡模拟方法,空化相变过程采用基于相间质量传输的Zwart模型进行处理。根据有限时间李雅普诺夫指数分布在空化核心区域定义了前缘拟序结构和尾缘拟序结构。在不同的空化发展阶段,两种拟序结构相互作用并呈现不同的分布规律,揭示不同空化发展阶段的典型流场结构。     

基于松耦合法的π型主梁竖向涡振数值模拟

借助软件FLUENT,基于松耦合方法将自编Newmark-β 算法程序对接FLUENT求解流固耦合问题的数值模拟方法。通过对宽高比为4 的矩形断面竖向涡激振动进行数值模拟验证了该方法的可靠性。利用ANSYS建立某拟建汉江斜拉桥的三维有限元动力模型,获取其主要动力基频特性以及质量参数。建立二维π梁断面绕流模型,计算在不同来流风速下该桥梁断面竖向自由度的振幅以及旋涡脱落频率变化情况,模拟出涡激振动的“锁定”区间,并分析某完整周期内梁断面的瞬时涡脱变化以及竖向涡振机理。     

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。     

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。     

Frequency characteristics of liquid hydrogen cavitating flow over a NACA0015 hydrofoil

Large eddy simulation on unsteady cavitating flow of liquid hydrogen over a three-dimensional NACA0015 hydrofoil with the attack angle (α) of 6° are carried out to investigate the dynamic features of cavity with the existence of thermal effects. The numerical model considers the compressibility of both liquid and vapor phase, and is validated by comparing the results with the available experimental data. Special emphasis is put on analyzing the frequency characteristics of cavitation cloud. Strouhal number (St) is plotted against σ/2α (σ is cavitation number), and the water cavitation data reported by Andrt et al. are also used as a reference. It is found that the St number for LH₂ cavitation is much smaller than the water, in which the thermal effects are generally not considered, at the same σ/2α value when it is greater than about 2.0, while it returns to the same level as water when σ/2α decreases to below 2.0. The reason is primarily ascribed to the thermal effects, and the detailed explanations are given based on the recognitions that the shedding mechanism of cavitation clouds is predominated by the combined action of the vortex flow and thermal effects. While, when σ/2α decreases to a critical value, the relative effect of the thermal effects on the cavitation dynamics is greatly weakened compared with the mechanism due to the vortex flow, like those in isothermal cavitation flow in traditional fluids. The results provide a deeper understanding of the cryogenic fluid cavitation flow.     

Hydrodynamics numerical investigation of hoistable masts for underwater vehicles

Hoistable masts are key systems of underwater vehicles. The hoistable mast enables a underwater vehicle to penetrate the sea surface and exchange information with little risk of being detected. It is very important for researching the hydrodynamic behaviour of flow pass hoistable masts in order to reduce the production of visible, electro-optic, infrared, radar cross section wake and hydroacoustics signatures. Using the unsteady incompressible Navier-Stokes equation as the governing equation, the large eddy simulation (LES) model is implemented to investigate the shedding of vortices, the flow pattern of turbulence, the unsteady pressure fluctuation and the time history of the lift coefficient and drag coefficient of hoistable masts with various mast shapes and various arrangements in this paper. Combining the FFT, combined time-frequency transform and wavelet power spectrum analysis, the characteristics of unsteady pressure can be obtained in both time and frequency domain. It shows that the main frequency of pressure fluctuation is near the frequency of vortex shedding in time domain using the FFT method. It can be inferred from the combined time-frequency transform that the unsteady pressure fluctuation has obviously the peak value and second peak value in time domain. It could indicate that the fluctuation power varies from the fluctuation frequency through the power spectrum analysis. By the data analysis, it shows that the vortex shedding is the dominant cause of the periodically pressure fluctuation. And the interaction pattern of wake and interplay between wake and the walls of masts under different arrangements are also discussed in this paper.     

楔形体诱导的非定常超空泡计算

采用积分方程方法,研究了楔形体外部自然超空泡流问题。提出了楔形体在静止流体中做变速运动所引起的非定常超空泡的积分方程。作为特例,得到了均匀来流时非定常超空泡的积分方程。应用时间有限差分离散化方法和有限差分法对积分方程进行了求解,得到了楔形体做变速运动、楔角变化、空化数变化、小扰动空化流等各种情况下的数值解。数值结果表明:非定常超空泡具有时滞性和波动性。楔体做变速运动时,加速度越大,时间滞后越长。在匀减速运动时,空泡不封闭,可能有回注射流发生。扰动频率越高,空泡长度变化越小,时间滞后越长。扰动以波动形式沿着空泡表面传播,传播速度为来流速度。该文所得到的结果,对于非定常超空化水翼的设计和分析能够起到参考作用。     

离心泵空化下的转速瞬变特性试验研究

通过安装轴编码器获取了离心泵空化过程的转速瞬变信号,利用时域和频域分析手段进一步探索在不同空化程度下转速瞬变的特点和规律。分析结果表明:当离心泵内刚发生空化时,离心泵的转速变化范围最大,以标准差衡量转速的波动程度也最大,严重空化时转速的波动程度高于未空化时的波动程度;在频域上,试验用离心泵—电机系统的转速的固有频率为2.9 Hz,空化条件下泵转速的主频也是轴频,不随流量和空化程度的改变而改变,但是同一流量下,空化初生时主频的幅值最高,严重空化时次之,未空化时最小;而不同流量下空化初生主频处的幅值则随着流量的增加先增大后减小,在设计流量下空化初生时主频处的幅值达到最大;在时频域上,通过小波分析的方法对转速的特征进行了分析,发现在空化下转速的能量主要集中在39~46.9 Hz,并且在空化初生时转速的能量最大。