基于滤波器湍流模型的水翼空化数值模拟

采用界面捕获法,在均相流模型假设下,引入滤波函数修正了RNG k-ε湍流模型,基于正压流体假设的状态方程空化模型.采用SMPLEC算法,数值求解雷诺平均的Navier-Stokes方程,模拟了二维NACA66(Mod)翼型的定常、非定常空化流动.计算得到的翼型表面压力分布与试验结果基本一致,较好地模拟了非定常空化云的初生、发展、断裂和脱落的周期性过程,非定常流动的斯特劳哈数与试验结果相吻合.给出了2个时刻的翼型表面速度矢量场,分析了空泡内部流动结构,结果发现翼型空泡尾部的反向射流是引起翼型表面局部压力升高,进而导致空泡发生断裂及空化云脱落的重要原因.     

空泡半径非线性变化的空化模型及应用

为了提高Schnerr-Sauer空化模型模拟空化流动的能力,基于Rayleigh-Plesset方程和均相流假设建立了一种考虑空泡半径随时间非线性变化的空化模型.联立滤波器湍流模型,分别采用该非线性空化模型和原始Schnerr-Sauer模型对绕二维Clark-Y翼型空化流进行了非定常数值计算,得到了时均化升阻力系数随空化数的变化曲线、云空化时空泡周期性演变及其沿弦长方向速度分布规律.与其他的实验结果进行对比分析,结果表明:采用该非线性模型计算得到的时均化升阻力系数与实验值符合程度更好,并能较准确地捕捉升阻力系数在不同空化阶段的变化规律;该非线性模型能准确地模拟翼型尾缘空化云的成长、脱落和溃灭的全过程,且能更准确地模拟翼型尾流的速度场.     

FBM模型在栅中翼型云状空化流动数值计算中的应用

评价滤波器湍流模型(FBM)在栅中翼型计算中的应用.分别采用修正RNG κ-ε湍流模型和FBM湍流模型,以及不同滤波器尺寸的FBM模型对栅中翼型的云状空化流动进行模拟,并与水洞实验结果进行对比.结果表明:在模拟计算中采用合适滤波器尺寸的FBM湍流模型,并且在空化模型中考虑到湍动能对空化流动的影响,可以更准确捕捉栅中翼型空化区尾部涡团交替脱落的非定常细节,升阻力与实验更为接近.     

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.     

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.      

云状空化流动数值模拟的空化模型评价

为深入了解空化模型对云状空化流动计算的影响,分别采用Kubota,Singhal,Merkle,Kunz四种不同的空化模型对绕水翼的云状空化流动进行了数值模拟,获得了空穴形态和升、阻力等流场动力随时间的变化特性. 通过与实验结果的对比表明,这四种空化模型均可以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;不同空化模型对计算所得的空穴形态和长度、绕翼型速度矢量场、升阻力均有影响, 但对流场动力特性的主要频谱分布影响不大.     

多段翼型流动非定常性计算研究

用基于SA湍流模型的DES计算方法对30P-30N多段翼型绕流的非定常性进行数值模拟。通过将非定常计算的气动特性平均值和定常实验结果比较验证了计算方法的可靠性,并对基于SA湍流模型的DES方法非定常数值模拟的结果进行分析。结果表明,所述方法正确地模拟了多段翼型流动的非定常性。缝翼下表面具有一定的涡量变化,而襟翼上表面后缘有明显的周期性的涡脱落。初步揭示了多段翼型噪声辐射的根本原因。研究结果对减小多段翼型噪声的方法研究具有一定的意义。     

修正的PANS模型在云状空化流动计算中的应用评价

将考虑空化流动密度变化的密度函数引入PANS模型,基于实验结果评价了这种修正的PANS模型在云状空化流动计算中的应用.分别采用不同的模型控制参数f_k值,计算了绕Clark-Y型水翼云状空化流动,获得了空穴形态的发展历程、升力系数曲线波动情况,并与实验结果进行了对比.结果表明,修正PANS模型继承了标准PANS模型的特点,即随着f_k值的减小,可以获得流场中越来越丰富的多相湍流流动细节,很好地预测绕翼型云状空化流动的非定常特性;修正PANS模型考虑了空化区域气液混合介质对湍流黏性的影响,可以更全面地描述反向射流作用下空穴的断裂及多尺度空泡团的脱落细节,所得翼型升力系数曲线的波动情况更接近于实验值.      

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。     

基于PANS模型的水翼非定常空化特性研究

采用一种局部时均化模型(PANS)对绕二维Clark-y型水翼的空化流动进行数值计算.分别研究了空化模型中最大密度比对空化计算的影响,PANS模型中关键控制参数fk对云空化非定常特性的影响和云空化阶段空泡形态及升力系数随时间的演变,并与实验结果进行对比.结果表明:最大密度比会影响液相与气相之间的质量传递速率,将最大密度比提高,可大大改善数值预测的精度;随着fk值的减小,PANS模型可释放更多的湍流尺度,较好地预测云空化中强烈的非定常特性;由于云空化呈现出产生-发展-脱落-溃灭的准周期性变化,使得水翼的升力系数变化剧烈,计算出时均升力系数为0.708,与实验值0.760相差约7%;回射流与主流相互作用,在水翼尾部形成的一对旋转方向相反的旋涡是云状空泡形成与发展的主要原因.     

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。     

基于密度分域的混合湍流模型的应用与评价

结合数值计算和实验结果评价了一种基于密度分域的混合湍流模型.实验采用高速录像和LDV测量技术观察了绕Clark-y型水翼云状空化随时间的流场结构变化和速度分布.数值模拟中,基于非定常空化的流动现象,建立了一种基于密度分域的混合湍流模型,并分别应用不同的湍流模型计算了绕水翼非定常云状空化流动.通过与实验结果的对比表明,分域湍流模型能够更好地调整流场内的湍流黏性,精确捕捉到空穴形态和空泡脱落的非定常细节,时均流场速度分布与实验值基本吻合.     

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.     

滤波器湍流模型在超空化流动计算中的应用评价

对滤波器湍流模型(FBM)在超空化流动计算中的应用进行分析和评价.在CFX软件中,分别采用FBM模型和标准κ-ε模型对Hydronautics翼形的超空化流动进行模拟,结合水洞实验结果从空泡形态和流场结构两方面对两种模型的计算结果作对比分析.结果表明,FBM模型对空泡形态和空泡尺度的模拟更符合实际.FBM模型可以捕捉超空化流动中较大尺度的涡团结构,并能更清晰地模拟出空化区尾部涡团交替脱落的非定常细节,同时.FBM模型对超空化流动中反向射流现象的模拟更敏感.     

水平轴风力机专用翼型的数值模拟研究

根据当前计算流体动力学（CFD）数值模拟的研究,对风力机专用翼型S816的模型进行数值模拟,主要针对翼型的升阻特性、失速、流动分离等方面内容,研究了翼型升阻力系数随迎角的变化、翼型在非定常、定常数值模拟结果对比等因素对翼型气动特性的影响,并总结了相关规律。     

湍流模型对风琴管喷嘴空化射流数值模拟的影响分析

针对不同湍流模型对空化射流流场数值模拟影响问题,本文基于ZGB空化模型和WALE亚格子模型,采用大涡模拟（LES）和RANS模型对风琴管喷嘴空化射流流场进行数值模拟研究,分析内外流场的压力分布、速度分布以及空化云演变规律,并将空化云演变规律与实验结果进行对比分析。结果表明,LES模型速度、压力分布更符合实际情况,空化云演变规律与高速摄像拍摄结果基本吻合,LES模型可以更准确地模拟风琴管喷嘴空化射流流场。对风琴管喷嘴结构优化、打击力度与目标靶距的预测更准确。     

圆柱-翼型干涉噪声特性研究

圆柱-翼型干涉噪声主要是用来模拟类似涡扇静子,或者风机静子的脱落涡打到转子上所产生噪声的现象。圆柱的脱落涡随气流流动,对下游的翼型冲击,产生非定常表面载荷,带来强烈的噪声。在全消声室风洞,对三种不同尺寸圆柱的圆柱-翼型干涉噪声的特性进行了试验与仿真研究。圆柱的尺寸直径分别为10 mm、15 mm和20 mm,翼型为NACA 0012翼型;流场计算采用大涡模拟(LES),声场计算基于FW-H积分方程。对比实验与仿真可知,圆柱脱落涡是典型的周期性卡门涡街,翼面相互作用是产生噪声的主要原因;试验得到三种不同直径的圆柱-翼型干涉纯音噪声的斯特劳哈尔数为0.19左右,与卡门涡阶脱落涡的频率一致;噪声远场为偶极子指向性;随着圆柱尺寸的增大,噪声的总声压级增大;低频噪声源主要位于翼型前缘,高频噪声主要由圆柱脱落涡引起。     

基于预处理技术的扰动风对多段翼型非定常绕流作用的数值模拟

运用双时间推进法和动态嵌套网格技术对扰动风作用下的多段翼型非定常绕流进行了数值模拟. 首先, 结合预处理技术对麻省理工学院(Massachusetts Institude of Technology, MIT) 的翼型模型在扰动风作用下的流动进行数值模拟, 并运用其实验结果验证程序的正确性; 然后, 对多段翼型在周期性的扰动风作用下的非定常粘性绕流进行数值模拟, 得到非定常情况下气动力随扰动风变化的迟滞规律. 计算范围内的结果表明: 扰动风的频率越低, 幅度越大, 多段翼型整体上的气动力越大; 扰动风的频率越高, 幅值越大, 对多段翼型的气动力影响越大.     

考虑热力学效应的高温水空化模拟

在汽液质量传输方程的基础上,考虑局部汽/液相含量、局部压力与饱和蒸汽压之差及空化的热力学效应,提出了一种可应用于高温水空化流计算的空化模型。为了评价该模型的适用性,以NACA66(MOD)翼型为对象,采用局部均匀平衡流方法分别计算了水温为293 K和373 K时的物面负压系数,并与实验和Singhal的全空化模型的计算结果进行了比较。研究表明:在水温为293 K时,改进的空化模型与全空化模型的计算结果均与试验吻合较好;在水温为373 K时,虽然两种空化模型的结果均显示空化的发展受到了抑制,但该文提出的空化模型能明显地反映出翼型表面空泡区的温度变化(即热力学效应)。该文提出的空化模型更适合模拟高温水的空化流。