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.      

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。     

绕带空化器回转体空化流动特性的试验研究

为推动超空泡在水下兵器减阻领域的应用,采用试验的方法研究了绕超空泡回转体的自然空化流场特性.试验中,采用高速全流场流动显示技术获得了不同空化数下绕回转体的空泡形态,并运用粒子图像测速技术(DPIV)测量了相应工况下流场的时均速度和涡量分布.结果表明:随着空化数的降低,绕回转体空化区域不断增大,不同空化数下的空化区均为低速高湍流脉动区域,该区域的速度远小于主流速度,但存在大的湍流脉动;云状空化阶段,涡量聚集区由头部向后延伸的涡带逐步转化为涡团分布,且区域明显扩大.      

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.     

低弗劳德数通气超空泡初生及发展演变特性

为了研究通气超空泡初生及发展过程中空泡形态及泄气模式的演变特性,采用分相流模型和SST湍流模型,考虑通气压缩性和重力效应,建立了通气超空化三维数值计算模型,并通过试验数据进行了校核和验证,研究了在通气率和弗劳德数大范围变化下的通气超空泡生成及发展过程.结果表明:回射流模式超空泡发展过程非常不稳定,空泡初生时伴随空泡的断裂及分离,空泡发展过程中存在气/水混合物回流现象,超空泡形态难以预估.双涡管模式超空泡先以回射流模式发展,当超空泡充分发展后,空泡闭合模式转变为双涡管方式,空泡形态及泡内压力相对比较稳定.接近超空泡泄气转变临界时,超空泡闭合模式在双涡管和回射流之间相互转变,导致超空化流动及超空泡形态变化更加复杂.     

不同头型回转体低速倾斜入水过程流场特性数值模拟

基于有限体积法和VOF多相流模型求解气、水两相流动的RANS方程,结合动网格技术,对回转体低速倾斜入水过程进行数值模拟研究.通过将数值计算结果与试验数据进行比较,验证了数值计算方法的有效性.基于该方法对不同头型回转体低速倾斜入水过程进行分析,得到不同头型条件下回转体入水空泡形态发展规律、回转体运动特性及流体动力特性变化规律.研究结果表明:同一入水深度,入水空泡直径和流场中最小压力值随着回转体头部锥角的增加而增大;不同头型回转体,锥头母线同一位置处压力随着头部锥角的增加而增大;回转体阻力系数与其头部锥角大小直接相关,锥角较大时,阻力系数也较大,速度衰减也较快.      

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。     

水下航行体超空泡减阻数值模拟

利用Fluent6.3对水下航行体超空泡减阻进行了数值模拟,研究了水下航行体空泡形态和阻力系数的变化规律,分析了航行体的受力和减阻特性.结果表明,水下航行体在超空泡绕流时,压差阻力系数减小,摩擦阻力系数减小并趋于零,总阻力系数比无空泡绕流时大幅度降低,比流线型模型的也小;航行体的头部在超空泡绕流时承受了绝大部分阻力,尾段所受阻力减小至几乎为零;头部空化器直径增大,超空泡较易形成,但减阻能力降低,空化器直径过小,不能形成超空泡,不能有效减阻.     

剪切层区域旋涡空化的发生机理

为研究高速水流中旋涡空化的形成机理 ,用高速摄影和录像的方法观察了发生在中空射流阀内部流场的空化现象 ,采用数值模拟的方法计算了阀内部非定常粘性流场。发现流场中空化的产生与流动分离以及所伴随的剪切层区域的非定常旋涡运动有关。旋涡空化水流中有两种空穴 ,即空化泡与空化旋涡。在剪切层非定常旋涡从流动分离点产生的过程中 ,旋涡形成区域的压力进一步降低 ,在空化条件下产生大量的空泡 ,部分空泡被旋涡所包容 ,从而形成空化旋涡     

细长体绕流tertiary涡的形成与非对称过程

为探讨现代飞行器非对称流动中主涡的形成机理,利用染色线显示和荧光诱导激光片光技术,在北京航空航天大学1.2m水洞对细长体绕流过程进行了实验研究。结果表明,亚临界Re和大迎角零侧滑绕流时,细长体流场呈现复杂的非对称多涡流动现象。随着主涡的生成和发展,在模型背风侧再分离区诱导出一些次生结构,tertiary涡就是其中一种。沿着轴向,主涡发展成熟并依次脱落形成脱体涡,从主涡脱落点也依次产生新生主涡。其中,第1个新生涡由tertiary涡发展而来,而第2个和第3个新生涡则主要由分离剪切层卷绕生成。该文提出了tertiary涡演化为新生主涡的观点。     

圆柱绕流远场涡对的数值模拟

基于离散涡方法求得非定常、不稳定流场,数值模拟了三种不同时刻高雷诺数下圆柱绕流结构的发展,从流谱图、等涡量线图和涡谱图可以清晰地看出从近场的初生卡门涡街,过渡到远场的二次涡街的过程,计算结果发现：远场离散涡有形成二个涡的涡对及三个涡的涡对的趋势,计算结果说明了流体运动中涡对结构的本质：由于来流是均匀的,没有加入任何拔动,当流体流过钝体时产生具有剧烈分离的不稳定流动,因此在远场形成的二次涡对及卡门涡     

龙卷风风场的数值模拟研究

基于同济大学研制的龙卷风物理模拟装置,运用数值模拟方法构建了物理模拟器的数值计算模型,并通过对比龙卷风风场的物理试验模拟结果和现场实测结果,验证了数值计算模型的可行性.在此验证基础上,研究了3种不同涡流比条件下的龙卷风风场结构,对比了不同涡流比条件下龙卷风的三维风场速度(切向速度、径向速度和轴向速度)分布形态、风压分布、龙卷风涡核半径和气流脉动特性.研究结果表明:随着涡流比的增大,龙卷风风场最大切向风速逐渐增大,涡核中心气压降明显降低,涡核半径随之变大,涡核中心附近切向风速的标准差变小;涡流比的增大使龙卷风单涡核逐渐破碎,发展到双涡核.     

带哨嘴喷嘴射流流场的离散涡模拟

采用离散涡方法模拟了两种不同形状哨嘴的喷嘴出口流场旋涡结构和压力分布。模拟结果表明 ,射流在喷嘴出口和哨嘴出口形成的旋涡结构在流场及其他涡元的作用下 ,向下游运动 ,在流场中某个地方形成低压区 ,这有助于诱发空化现象。对两种不同喷嘴的出口流场进行比较发现 ,哨嘴形状对形成的射流流场的旋涡结构有很大影响。因此 ,研究和应用空化射流必须考虑喷嘴出口哨嘴形状的影响     

螺旋桨初生空化湍流的多相流数值模拟

摘要：
同时采用修正剪切应力输运(SST)湍流模型和Baseline雷诺应力模型（RSM）求取了E779A螺旋桨在无空化状态和初生空化状态下的梢涡运动轨迹,分析了涡核最小压力系数、湍动能、轴向速度分量和涡核半径沿运动轨迹的变化,并从模拟得到的梢涡卷曲起始和梢涡涡束的角度阐述了梢涡形成机理.空化模型采用改进Sauer模型,考虑了非凝结性气核质量分数、体积分数和气泡初始半径以及湍流脉动的影响,并针对轻度、中度和重度空化面积进行了可信性校验.当空化数σ>初生空化数σi时,叶梢截面压力系数分布相对不再改变的判定准则来确定.涡核中心位于螺旋线垂向截面上最小压力点,涡核边界由湍流涡频率峰值决定.数值模拟结果表明,RSM模拟梢涡路径较修正SST湍流模型稍长、局部梢涡空化范围略大、叶梢最小压力系数和轴向速度分量要小,涡核湍动能分布更为合理.但两者模拟得到的涡核运动轨迹几乎重合,并且初生空化状态下的涡核运动轨迹、最小压力系数和轴向速度分布均与各自无空化状态下非常接近,表明了初生空化状态判定的正确性和改进数值模型对梢涡运动轨迹模拟的适用性.     

河道中钝体周围的床面冲刷试验研究

对泄洪闸闸墩、淹没薄壁长立方体以及圆柱形桥墩周围的河床床面冲刷进行了较为详细的试验。以试验所获得的大量测试数据、录像资料及照片为基础,分析了钝体周围的水流速度场、水流旋涡场、并重点分析了钝体周围的床面冲刷与钝体周围水流旋涡结构的关系,得出了关于河道中钝体周围床面冲刷的一些规律性结论。     

基于大涡模拟的平屋盖锥形涡数值分析研究

采用大涡模拟(LES)对平屋盖建筑受45°风向角作用下的表面风荷载问题进行了非稳态数值模拟分析.通过与风洞试验结果的对比得出,大涡模拟能较好地捕捉到建筑物顶面出现的锥形涡及其特性.在此基础上,研究了锥形涡作用下建筑物顶面平均风压与脉动风压的分布,以及加设分隔挡板和不同高度的女儿墙对屋面风压分布和旋涡强度的影响.研究结果表明,基于Q准则的旋涡判别法可以较好地识别斜风向下屋面形成的锥形旋涡;在背风区锥形涡与侧面脱体涡相互作用并脱落,其影响将反馈至屋面旋涡上导致屋盖两个锥形涡强度以屋面对角线为轴交替波动,此消彼长;屋面女儿墙的存在使得两个锥形涡之间的间隙变窄,旋涡足迹变阔,且屋面峰值吸力随女儿墙高度的增加而迅速减小.