螺旋桨空化初生的判定和空化斗的数值分析

摘要：
为了实现空化多相流模拟在螺旋桨空化初生和空化斗预报中的应用,采用改进Sauer空化模型和修正剪切应力输运(SST)湍流模型,对NSRDC4381桨的叶背和叶面片空化初生、梢涡空化初生和空化斗底线特征进行了模拟、校验和分析,提出了“当σ>σi时,叶梢截面压力系数分布不再改变”的空化初生判定准则,并分析了其适用范围. 同时,将空化斗由传统的三区细分为五区,以更准确地描述不同工况点的桨叶空化状态. 结果表明,在设计和非设计进速系数下,预报桨叶叶背和叶面不同叶截面的初生空化数均与实验值吻合较好;模拟梢涡空化初生再现了局部梢涡空化和导边梢涡空化同时存在的现象,证明了分别用叶背07 R截面和叶面04 R截面的片空化初生曲线来表征叶背和叶面可视梢涡空化初生的合理性. 空化初生判定准则适用于空化斗底线上方的叶背和叶面片空化区. 将空化斗底线下方区域进一步细分为叶背03 R至叶梢的片空化区以及叶背与叶面同时片空化区,以更好地在工程中应用空化斗来描述桨叶空化形态和求取空化航态的航速.     

三维水翼初始梢涡空泡数的尺度效应

针对梢涡流场和初始梢涡空泡数的尺度效应问题,利用大涡模拟(LES)湍流模型对三维水翼的梢涡流场流速进行模拟计算;为减少误差,对梢涡流域网格进行了局部加密处理,对未发生空化时梢涡内的轴向速度和切向速度进行计算.结果表明,LES湍流模型的流场流速计算结果与实验值吻合较好.同时,介绍了经典初始梢涡空泡数尺度效应公式的推导过程,并利用数值计算的速度环量和涡核半径修正尺度效应公式.     

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.     

螺旋桨空化崩溃性能图谱的多相流模拟

为了提高螺旋桨空化性能多相流模拟的精度,采用改进数值模型对NSRDC4381螺旋桨的片空化形态和空化崩溃性能图谱进行了模拟与校验．数值模型由混合密度中显示包含非凝结性气核（NCG）质量分数和体积分数的混合物多相流模型,考虑湍流脉动影响的相变临界压力、NCG质量分数取7．8×10^-4、NCG体积分数取1．0×10^-6、气泡平均初始半径取1．5μm的改进Sauer空化模型,以及剪切应力输运（SST）湍流模型组成．结果表明：预报空化崩溃性能图谱与实验值符合很好;非设计进速系数下模拟空化形态与采用Sauer空化模型的结果一致,较实验值略偏小;中度和重度空化下,推力和力矩系数的预报精度明显高于采用Kunz空化模型的结果,严重空化时精度提升约16％;即使在高负载且严重空化的非设计工况下,预报推力和力矩系数误差分别为4．95％和2．28％,也在工程可控范围内,证明了所采用数值模型的有效性．该模型可进一步用于螺旋桨空化初生的数值判定．     

螺旋桨叶截面空化模拟数值模型的改进与评估

考虑了多相流空化黏性模拟中多相流模型、空化模型、湍流模型和相变临界压力选择等因素,提出了在混合密度中同时包含非凝结性气核质量分数和体积分数以及在相变临界压力中考虑湍流脉动影响的改进Sauer空化模型,分析了直接引入混合密度的SST模型、湍流黏度取μt=ρmk/(w)的修正SST模型和分别引入密度函数和滤波函数的修正k-ε模型4种湍流模型对螺旋桨叶截面NACA66 (mod)片空化模拟的影响,并应用改进后的数值模型对E779A螺旋桨不同空化程度下的片空化进行了模拟与校验.结果表明,NCG质量分数取7.8×10-4和体积分数取1.0×10-6及气泡初始平均半径取1.5μm时相对最优.对二维水翼轻度和中度片空化模拟时,后3种湍流模型修正方式精度相当,且优于第一种方式.对水翼云空化模拟时,两种修正k-ε模型相对最优.联合改进Sauer空化模型和修正SST湍流模型对螺旋桨轻度、中度和重度空化下的空化范围模拟均与实验值吻合很好,表明了改进数值模型的有效性,并可直接用于低噪声桨的设计.     

基于螺旋加密网格的螺旋桨梢涡空化数值模拟

基于计算流体力学(CFD)Star-CCM+软件,以船用E779A螺旋桨为研究对象,采用大涡模拟方法和Schnerr-Sauer空化模型模拟螺旋桨尖端梢涡空化.在螺旋桨可能发生尖端梢涡空化的位置上使用螺旋管为体积控制,形成螺旋加密网格,对E779A螺旋桨的梢涡空化进行更为精细的数值模拟.实验和数值模拟的水动力结果表明:本文方法具有良好的数值预报精度,推力、扭矩系数和敞水效率较为相符.在此基础上进行基于螺旋加密网格的梢涡空化数值模拟,通过模拟结果可以看出:螺旋加密区的流动得到了更为精细的模拟,并清晰展示了加密梢涡的速度和压力分布.数值和实验的空化结果比较表明:本文方法能够较好地预测螺旋桨的空化,尤其是梢涡空化的形态和规律.     

空化初生最大应力判据及其应用

针对空化会在局部压力大于汽化压力时发生的现象,提出空化初生最大应力判据.对最大应力判据进行了理论推导.通过对Clark-Y翼型周围流动的数值模拟,对比分析了包含各向异性粘性项（即剪切应力）的最大应力判据,与传统的只考虑各向同性非粘性项的压强判据的不同,用总应力代替传统的临界压力进行了空化流动模拟.计算结果表明,由最大应力判据得到的初生空化数小于传统的只用汽化压力判断空化的初生空化数,空化起始位置与后者相比更靠近翼型导边,空化起始位置也不在压力系数最小的位置;由总应力表示的临界压力对升、阻力等宏观参量的影响不大.最大应力判据主要用于判断空化初生.     

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.      

SST K-ω湍流模型在细长弹体可压缩分离流中的改进

研究飞机和导弹的细长体可压缩湍流分离流问题,对SST K-ω湍流模型进行了改进。数值模拟了马赫数2.5和0.7、攻角14o下细长旋成体的湍流分离流场,给出了原SST K-ω模型和改进的SST K-ω湍流模型的细长体背风面极限流线、分离涡的强度和位置、物面压力分布的计算结果,并与实验结果进行了对比研究。结果表明,对计算细长体可压缩分离流动的绕流特性,SST K-ω模型引入的Bradshaw数(雷诺切应力与湍动能之比)应由0.31修正为10/29,修正后的SST K-ω模型与原SST K-ω模型相比,所计算的分离涡的强度和位置、物面压强分布与实验结果更接近。     

叶片进口边穿孔前后的离心泵不稳定空化特性

为了研究叶片进口边穿孔后离心泵不稳定空化特性,以某低比转速离心泵为研究对象,基于SST k-ω湍流模型和Zwart空化模型,研究了叶片进口边穿孔前后叶轮内的流动特性及压力脉动特性.研究发现,对于低比转速离心泵,叶片穿孔后,低压区的分布范围较原型泵的分布范围小,压力梯度变化较原型泵的快;在空化条件下穿孔叶片叶轮总的湍动能比原型叶轮的小;在一个旋转周期内所应的每个时间点上,穿孔叶片所产生的汽泡分布区域比原型叶轮小;穿孔叶片可以有效地减少由空化所产生的振动、噪声.     

泵喷推进器非定常空化性能数值模拟分析

摘要： 基于均质多相流的RANS(Reynolds Averaged Navier Stokes)方程,采用分块网格技术生成高质量结构化网格,同时结合剪切应力SST（Shear Stress Transport）k－ω湍流模型和Z G B(Zwart Gerber Belamri）空化模型以对NACA66翼型进行了定常流空化性能数值模拟,数值计算结果与实验值吻合良好,验证了数值计算法的实用性与可靠性.在此基础上,利用URANS(Unsteady Reynolds Averaged Navier Stokes）方程和滑移网格技术,对装有泵喷推进器的无人水下航行器（Unmanned Underwater Vehicle,UUV）进行了非定常流空化性能数值模拟与分析.计算结果表明,数值模拟可以较为精确地预测泵喷推进器空化现象的起始与发展、形状与位置等特性;空化现象发生时,泵喷推进器效率出现明显的降低且达到20%以上;UUV表面与定转子叶片的压力分布较为合理,与空化现象吻合;转子叶顶区域压力面与吸力面之间的压差引起了顶隙梢涡与顶隙空化,造成了泵喷推进器效率进一步的损耗.     

叶顶间隙对轴流泵外特性及空化性能影响研究

为探究叶顶间隙对轴流泵外特性及空化性能的影响,基于修正的SST k-ω湍流模型和Z-G-B空化模型,对350ZQ-70型潜水轴流泵进行数值模拟,对比分析不同叶顶间隙下轴流泵的外特性曲线、叶轮流道内的压力脉动、空泡体积分数分布等.结果表明:随着间隙的增大,泵扬程和效率降低;小流量工况下流动失稳现象明显加强,扬程曲线会出现驼峰现象;进口边近轮毂侧比近轮缘侧更易发生空化;设计流量下,轮缘间隙空化首先出现在叶片中部,而不是叶片进口;叶片背面空化会影响相邻叶片工作面压力分布;存在临界间隙值,未达该值前,间隙增大主要降低叶轮的做功能力,对空化性能影响不大,超过该值后,空化稳定性降低,诱导压力脉动;对于实验泵,临界值在1.5~2 mm;随着间隙的增大,轮缘处空化程度不断增强,进口边空化程度反而有所减轻;根据轴流泵叶轮组装结构,从保护轮毂叶轮体的角度考虑,兼顾做功能力和运行稳定性,实验泵选择间隙为1.5 mm较为合适.     

绕平头回转体的空化流场研究

摘要：本文采用实验与数值模拟相结合的方法对绕平头回转体的空化流场进行了研究。数值模拟中,为了精确捕捉由于分离流动而产生的漩涡结构和空泡团的脱落现象,湍流模型采用了一种基于空间尺度修正的滤波器模型（FBM）。 实验中,采用高速录像技术观察了在不同空化数下,绕回转体的空泡形态,并应用二维和三维粒子测速系统（DPIV）测量了相应工况下,空化流场的速度及涡量分布。研究结果表明：对于平头回转体,其肩部的高剪切流动区出现了不规则的漩涡分离结构,初生空泡首先在该分离区域内产生,随着空化数的降低,空化区域会有明显的增大,空泡呈椭球状,不规则的小尺度空泡团的脉动转变为周期型的大尺度空泡团的脱落现象。在不同的发展周期内,绕平头回转体的空化存在强烈的三维流动特性,回转体尾部的高压区域造成了反向射流的产生,反向射流以逆时针的螺旋状逐渐向回转体头部推进,致使空泡周向上的断裂,以及空泡脱落的起始位置有较大的区别。流场中的低速区域对应于空化核心区,其值远小于主流速度。高涡量主要亦集中在该区域内,空化区域内部汽液频繁的水汽交换是造成高涡量区域的主要原因。     

用升力面方法估算螺旋桨空泡

本文提出了用数值升力面理论求解三维空泡螺旋桨问题的准定常方法.表征螺旋桨负荷、厚度和空泡的奇点系及满足边界条件的控制点均置于拱弧面上。尾涡模型划分为过渡区和远尾流区,过渡区用圆锥螺旋面来模拟尾涡片的变形现象,远尾流区简化为桨叶数的集中等螺距梢涡和一根直线毂涡模型。空泡模型用半闭式.计算结果与实验值吻合良好。     

轴流泵叶片外缘修圆对泵性能的影响

为了改善轴流泵叶顶间隙的流动,减少其空化空蚀的发生,通过3种方案对轴流泵叶片外缘进行修圆角.利用计算流体动力学软件FLUENT对不同方案下的间隙流场进行数值摸拟研究,重点分析叶片修圆前后叶顶间隙流场的压力分布和速度分布规律.结果表明,修圆叶片压力面外缘有利于改善间隙流场的流动,可降低间隙空化空蚀的发生,而对泵的总体性能影响不大.     

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.     

具有叶顶间隙轴流叶栅流动数值模拟

采用人工可压缩性方法对具有叶顶间隙的轴流叶栅内湍流流动进行了数值模拟.结果表明,叶顶间隙的减小使间隙涡产生过程延缓,强度的衰减速度增大,作用范围减小;间隙涡涡核沿流动方向由吸力面侧逐渐向压力面侧移动,叶项间隙存在使叶片表面压力系数有所降低,在叶尖附近降低尤为显著,随间隙减小叶片中间区域及根部受间隙的影响较小;间隙的存在导致主流速度明显降低,叶尖附近的二次流速度明显增大,尤其当间隙为2%～5%的弦长.