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.     

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.     

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.     

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。     

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.     

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.      

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.     

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.      

Cavitation flow simulation for a centrifugal pump at a low flow rate

A computational model on the basis of the combination of the full cavitation model and the modified re-normalization group (RNG) k-ε turbulence model are used to simulate the cavitating flow in a centrifugal pump at a low flow rate. A filter function is introduced for the RNG k-ε turbulence model in order to consider the compressibility in the cavitating flow. The calculated values of the net positive suction head available (H NPSHa ) agree well with the experimental measurements. The cavities in the impeller are obtained and their evolvement with H NPSHa are revealed.     

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.     

一种抗空化翼型修形设计方法

为提高水翼抗空化性能,对二维翼型的吸力面外形进行适当改造.通过集成几何参数化技术、面元法和优化算法构建了翼型抗空化优化设计方法.翼型的修形采用在吸力面上设立一段拱弧的方法,并运用三次B样条对翼型进行了参数化表达.在某一工况下,以面元法预报的翼型性能参数作为遗传算法建立目标函数的依据,进行了针对NACA0010翼型上设立拱弧的最佳参数的单一目标和多目标寻优.同时运用雷诺平均纳维艾斯托克斯方法结合RNG k-ε(Re normalization group k-ε)湍流模型对原翼型及改型的空化流场进行瞬态模拟,对比了气体体积分数云图的差异.结果分析表明.修改的翼型较原型对空化的发展有一定抑制作用,达到了预期目的.     

基于当地流动特征的Schnerr-Sauer空化模型改进研究

为消除空化模型中人为确定的经验参数对数值模拟结果的影响,引入当地流动特征对考虑非冷凝气体的Schnerr-Sauer空化模型进行修正.采用Mixture多相流模型及Realizable k-ε湍流模型,对二维NACA0009 MOD水翼的定常空化进行了数值模拟,空化数范围为0.75~0.90.将数值模拟结果与已有实验结果进行对比表明:对于考虑了非冷凝气体的Schnerr-Sauer空化模型,在引入当地流动特征修正前,非冷凝气体数密度n的取值对数值模拟结果影响较大,非冷凝气体直径d_nuc的取值对模拟结果的影响较小;在引入剪切应变率修正后,空化模型中的参数n的取值对数值模拟的结果不再有显著影响.同时,该修正方法提高了考虑非冷凝气体的Schnerr-Sauer空化模型的准确性,准确地预测了空穴造成压力梯度突变的位置.      

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.     

Entropy and its application in turbulence modeling

The entropy concept was introduced into the turbulence modeling strategy in the present work. First, the turbulent boundary-layer was described from the point of energy dissipation. Based on the theoretical analysis and direct numerical simulations, the relationship between the entropy increment and viscosity dissipation was systematically investigated. Then, an entropy function fs was proposed to distinguish the turbulent boundary-layer from the external flow. This function is universal, independent of the inflow conditions or any specific turbulence model. With this function, a new version of delayed-detached-eddy simulation method SDES was constructed and verified with the supersonic boundary-layer flow and the cavity-ramped flow. Initial results showed that this method could successfully avoid the modeled stress depletion problem inherited from the original DES method.     

Numerical study of unsteady cavitation on 2D NACA0015 hydrofoil using free/open source software

The free/open source software as OpenFOAM, Salome meshing and python language under Debian Linux system are evaluated to model unsteady cavitating turbulent flow around a NACA0015 hydrofoil. Based on the cavitation model proposed by Kunz and large eddy simu- lation （LES） method, we denote the benefits of free software and open source tools as an alternative to proprietary software of computational fluid mechanics, and provided a modified cavitation model to improve numerical accuracy. The simulation results of typical break-off cycle for cavitation shedding are compared to available experimental data, and validated using image processing to find percentage of similarities. The sheet cavity frequency of 7.752 Hz was obtained based on cavitation evolution and pressure fluctuations. The study gives relevant information for CFD software development in the future.     

电磁力控制翼型失速的研究

电磁场在导电的流体边界层上产生的电磁力能有效地改变边界层的结构,控制边界层的流动分离,消除涡流,可以增加翼型体升力,减少其阻力,实现对翼型失速的控制.本文基于电磁体积力控制流体边界层原理,将包覆有特制电磁激活板的翼型体置于弱电解质溶液中,利用基于TMS320F2812(DSP芯片)组建的翼型失速实验控制系统来灵活改变翼型的攻角和转速,显示流场的演化过程,测量升力和阻力的变化;实验结果表明,电磁力能够消除翼型的尾流涡街,正向电磁力能够有效地抑制和延缓翼型失速的发生.