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.     

绕水翼空化流动的数值模拟

基于正压流体假设的状态方程空化模型,考虑空泡流可压缩性的影响修正了RNGk～ε湍流模型,采用SMPLEC算法,数值求解Reynolds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相吻合,较好地模拟了非定常空化云的长大、断裂、涡状空化团脱落和破裂的周期性过程,分析讨论了空化云的脱落机理,指出反向射流是引起空化云脱落的重要原因。     

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.     

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.      

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.     

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.     

水翼的空化噪声数值预报研究

以NACA0015水翼为研究对象,采用Schnerr-Sauer空化模型和Ffowcs-WiliamsHawkings声学模型,计算了二维水翼的空化噪声,并对水翼的空化过程和水翼空化的噪声性能进行了分析。研究结果表明,水翼空化呈现出明显的脉动性和周期性,空化空泡云脱落的周期为0.170 4s,由漩涡引起的水翼壁面附近的反向射流是诱发空化空泡形成和脱落的主要成因。通过分析各个监测点的声压脉动特性可知,噪声在水翼头部区域的传播与主流方向一致,没有逆向传播。在空化发展过程中,空化区域的噪声信号有向下游叠加的趋势,但是传播到水翼尾部流动区域时,已经逐渐衰减完毕。     

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.