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.     

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.     

修正的RNG κ- ε模型在云状空化流动 计算中的应用评价

基于实验结果评价了一种用密度函数修正的RNGκ-ε湍流模型在云状空化流动计算中的应用.采用不同的修正系数,分别计算了绕Clark-y型水翼云状空化流动,获得了随时间变化的空化形态和升、阻力等流场及动力特性.通过与实验结果的对比表明,修正后的模型可以更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;密度函数中指数n的选取对计算所得的空穴长度和升阻力均有影响,然而对流场动力特性的主要频谱分布影响不明显.     

绕水翼超空化流动数值模拟的湍流模型评价

为深入了解湍流模型对超空化流动计算的影响,分别采用3种不同的湍流模型即标准κ-ε模型、RNGκ-ε模型和SSG雷诺应力模型,对绕水翼的超空化流动进行了数值模拟,并与实验结果进行了对比.结果表明:标准κ-ε模型仅能模拟出定常状态的超空化形态;RNGκ-ε模型和SSG雷诺应力模型能较为准确地模拟出超空化区域内的两相混合非定常特性,并完整再现了空泡内部两相(气相和水气混合相)界面的反向波动过程,而采用RNGκ-ε模型计算得到的最大空泡长度与实验最为接近.     

基于实验观测的分域湍流模型在通气超空化中的评价

为建立一种可以准确高效预测通气超空化流动的湍流模型,结合数值计算和实验结果,对绕锥头回转体通气超空化流动特性进行研究.实验采用高速录像观察了通气空化随时间的流场变化;数值计算中,分别应用标准k-ε湍流模型和密度分域的湍流模型计算了绕锥头回转体通气空化流动.其中,密度分域的湍流模型是在实验观测的基础上建立,即在空泡的前端含气量较大的区域应用DCM模型,以体现附着型空穴的可压缩性;在空泡尾部含气量较大的雾状空泡区域应用FBM湍流模型,以捕捉多尺度的空泡涡团结构.研究结果表明:与标准k-ε湍流模型相比,基于密度分域的湍流模型计算的结果与实验观测的现象基本吻合,有效减小了通气空化空泡区域内的湍流黏性,可以捕捉空泡区域内多尺度旋涡结构的演化过程,进而可以准确地预测通气超空化空泡断裂脱落的非定常流动细节.      

基于Kunz模型的离心泵空化流数值计算

将常用于水翼、螺旋桨等的空化模型应用于离心泵空化流数值计算,以比转速为94的离心泵为研究对象,在不同流量系数下,分别进行了空化性能的数值计算和试验研究.比较了计算和试验得到的空化性能曲线,发现各流量系数下模拟均能捕捉到较低空化数时扬程系数的下降,而且与试验结果较为一致.此外,还对设计工况下叶轮流道空泡和总压系数分布规律以及叶片压力系数分布规律进行了分析.对数值预测结果的分析表明：使用Kunz空化模型进行离心泵空化流数值计算能够较为真实地反映离心泵的空化性能.     

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.     

栅中水翼的空化流体动力特性

采用数值模拟的方法对空化条件下Clark-y水翼和栅中水翼的水动力特性进行了研究.计算中,空化模型采用基于Rayleigh-Plesset方程的Kubota模型,湍流模型则采用基于滤波器的混合湍流模型.通过实验结果对计算结果的可靠性进行了验证.结果表明,受上下翼型的影响,栅中水翼吸力面的低压区和压力面的高压区相对水翼情况有所收缩,造成平均升力系数变小;与水翼相比,栅中水翼的升阻力变化周期更长,波动范围更大.     

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.     

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.      

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。     

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。     

导管螺旋桨在空泡影响下的推力特性

在动网格与滑移网格技术结合的基础上引入空化模型构造的数值计算模型,以该模型对考虑空泡因素影响的高速旋转导管螺旋桨进行直线运动时的水动力特性进行数值模拟,观察螺旋桨在线运动工作条件下空泡的发生发展过程,研究了空泡因素对直线运动中导管螺旋桨周围流场以及推力特性的影响,分析了在空泡环境下不同转速、线速度对导管螺旋桨推力特性的影响.结果表明:对于高速旋转的螺旋桨,计入空化模型进行的数值计算可以比较客观的模拟桨叶产生空泡的发生与发展过程,以及由此而引起的螺旋桨水动力特性的变化;计入空化模型后,数值模拟与实验结果之间的最大相对误差要小于不计入空化模型时的数值模拟结果,进速或螺旋桨的转速越高,两者之间的差异越明显;空泡因素对螺旋桨叶水动力特性的影响不仅仅限于吸力面,对压力面同样有不可忽略的影响.     

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.     

滤波器湍流模型在空化流动计算中的应用

以绕栅中水翼流动为例,对滤波器湍流模型(FBM)在空化流动计算中的应用方法进行研究.以水翼附近加密区的最大网格尺度为基准,采用了4种不同的滤波器尺寸,结合水洞实验和标准κ-ε模型结果,从空泡形态和阻力预测两方面对滤波器尺寸的影响及其选用方法进行分析.结果表明,滤波函数对翼形尾部空泡脱落区的湍流黏度起到了修正作用,且滤波尺寸越小,修正的幅度越大.考虑到网格对湍流尺度的分辨能力,建议滤波器尺寸取比加密区最大网格尺度稍大的值.     

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.     

轴流泵空化流及其诱导压力脉动的数值模拟

基于改进的空化模型和SSTk-ω湍流模型,对轴流泵的流量-扬程曲线、空化特性及其诱导非定常空化压力脉动进行了数值模拟和分析.数值模拟结果表明:设计工况下的扬程、效率和必需空化余量预测误差分别为3.41%,4.10%和6.32%,获得了较高的预测精度;轴流泵叶轮空泡主要分布在叶片背面进口10%~30%区域,从轮缘到轮毂叶片空化区域逐渐减小;轴流泵叶轮出口在空化条件下的压力脉动的主频仍为叶频,谐频为叶频的倍数.叶轮出口受到叶轮外缘严重空化流的影响,在临界空化余量工况下,靠近轮缘处的空化压力脉动幅值是轮毂侧4倍左右;在导叶出口处两者差异逐渐减小,轮缘处的幅值比轮毂处仅大40%左右.随着空化余量不断降低,叶轮内空化趋于严重时,空泡发生区的压力脉动幅值显著增大;但在叶轮进口处,由于空化流向叶轮下游发展,叶轮上游流场受到空化的影响较小,在不同空化余量下压力脉动幅值变化较小.