基于涡量矩理论的绕振荡水翼涡动力学分析

文章采用标准k-ω SST湍流模型和动网格技术, 实现了绕俯仰振荡NACA66水翼非定常流动结构与水动力特性的数值模拟, 并基于有限域涡量矩理论定量表征了局部旋涡结构对水翼动力特性的影响. 研究结果表明: 在水翼升程阶段, 当攻角较小时, 层流向湍流的转捩点由水翼尾缘向前缘移动; 在较大攻角时, 顺时针尾缘涡?TEV在水翼吸力面上生成并向前缘发展, 同时与吸力面上的顺时针前缘涡?LEV融合发展为附着在整个吸力面上的新前缘涡?LEV, 新的?LEV与逆时针尾缘涡+TEV相互作用直至完全脱落, 直接导致了水翼的动力失速, 在回程阶段, 绕振荡水翼的流场结构逐渐由湍流转变为层流. 基于有限域涡量矩理论的定量分析发现, 有限域内附着的?LEV和?TEV提供正升力, 当?LEV发展覆盖整个吸力面时对升力的贡献最大, 占总升力近50%, 而+TEV提供负升力. 同时发现, 有限域内各旋涡内部的不同区域提供的升力有正有负; 而逸出有限域的旋涡内部不同区域提供的升力方向均保持一致, 其中顺时针涡提供正升力, 而逆时针涡提供负升力. 在失速阶段, 域外旋涡整体对升力贡献较小且存在小幅波动, 体现了流动的非定常性.      

绕水翼空化流动及振动特性的实验研究

空化是发生在水力机械内部的一种水动力现象,其发展具有显著的非定常特性.空化流动中空穴的脱落以及溃灭会诱发结构振动,对水力机械的效率、噪声、安全性等造成影响. 研究空化流动中结构的振动特性具有重要的工程意义. 采用实验的方法研究了绕NACA66 水翼空化流动的空穴形态和水翼振动特性. 实验在一闭式空化水洞中进行. 采用高速摄像技术观测不同空化阶段的空穴形态,应用多普勒激光测振仪测量水翼的振动速度,并通过一套同步系统实现了高速相机和多普勒激光测振仪的同步触发和测量. 采用小波分析方法对不同空化阶段下的空穴形态和水翼振动数据在时域和频域中的特性进行了分析.对云状空化阶段的同步测量结果进行了研究,分析了振动与空穴发展过程的联系. 结果表明,随着空化数的降低,流场经历了无空化、初生空化、片状空化和云状空化4个阶段,水翼的振动强度呈逐渐增大趋势. 在片状空化和云状空化阶段,空穴脱落导致水翼振动,诱发的振动频率与空穴脱落频率相同. 对于云状空化,在附着型空穴生长阶段水翼发生高频小幅度振动,在空穴脉动和断裂脱落期间水翼表现为低频大幅振动.      

绕三维水翼云状空化现象的实验研究

为了研究云状空化阶段空穴发展和脱落的机理,采用实验的方法对绕三维水翼云状空化流动进行了研究.实验在高速水洞中进行,采用高速摄像技术研究了不同空化阶段的空穴形态,并测量了翼型所受的升阻力,并对上述数据进行了频谱分析.结果发现:在云状空化阶段,观测到空穴的产生-发展-脱落-溃灭的准周期性变化;并捕捉到空泡脱落时附着在翼型前...     

绕振荡水翼流动及其转捩特性的数值计算研究

通过对比标准k-ω SST 湍流模型和基于标准k-ω SST 湍流模型修正的γ-Re_θ 转捩湍流模型对绕振荡NACA66 水翼流动的数值计算结果与实验结果,对水翼振荡过程的水动力特性和流场结构变化进行了分析研究. 结果表明:与标准k-ω SST 湍流模型的数值计算结果相比,基于标准k-ω SST 湍流模型修正的γ-Re_θ 转捩湍流模型能有效预测绕振荡翼型流场结构和水动力特性,捕捉流场边界层发生的流动分离和转捩现象;绕振荡水翼的流动过程可分为5 个特征阶段,当来流攻角较小时,在水翼前缘发生层流向湍流的转捩现象,水翼动力特征曲线出现变化拐点;随着来流攻角的增大,顺时针尾缘涡逐渐形成并向水翼前缘发展;当攻角较大时,前缘涡分离导致动力失速,水翼的动力特征曲线出现大幅波动;水翼处于顺时针向下旋转阶段,绕水翼的流动状态逐渐由湍流过渡为层流.      

非定常空化流场结构的实验研究

为深入研究非定常空化流场结构,本文用实验方法研究了绕Clark-Y型水翼的非定常空化流动现象.实验在空化水洞中进行,采用高速摄像技术观测了云状空化阶段的非定常空穴形态,并应用粒子成像测速系统(PIV)对绕水翼空化流场的速度场和涡量场等流动特性进行了同步的实验分析.研究表明:空化现象对流场结构有着重要的影响,在无空化和空...     

绕栅中水翼空化流动的数值和实验研究

采用数值计算和实验研究的方法研究了绕水翼和栅中水翼的非定常空化流动. 实验采用高速录像技术分别观察了绕水翼和栅中水翼云状空化形态随时间的变化, 测量了升阻力, 并对测量数据进行了频率分析. 计算时空化模型选用了能比较准确描述旋涡空化非定常特性的Kubota模型, 湍流模型采用能准确捕捉流场非定常特性的FBM模型. 计算模型的可靠性用实验结果进行验证. 结果表明, 计算与实验的结果基本一致, 相比绕单个水翼的空化流动, 绕栅中水翼的空穴厚度比较薄, 翼型近壁处的逆压梯度较小, 反向射流的速度较小, 且水汽混合区速度梯度较小, 空穴的脱落周期变长, 平均升阻力系数较小      

绕振荡水翼流动及其转捩特性的数值计算研究简

通过对比标准k-ω SST 湍流模型和基于标准k-ω SST 湍流模型修正的γ-Re_θ 转捩湍流模型对绕振荡NACA66 水翼流动的数值计算结果与实验结果,对水翼振荡过程的水动力特性和流场结构变化进行了分析研究. 结果表明：与标准k-ω SST 湍流模型的数值计算结果相比,基于标准k-ω SST 湍流模型修正的γ-Re_θ 转捩湍流模型能有效预测绕振荡翼型流场结构和水动力特性,捕捉流场边界层发生的流动分离和转捩现象;绕振荡水翼的流动过程可分为5 个特征阶段,当来流攻角较小时,在水翼前缘发生层流向湍流的转捩现象,水翼动力特征曲线出现变化拐点;随着来流攻角的增大,顺时针尾缘涡逐渐形成并向水翼前缘发展;当攻角较大时,前缘涡分离导致动力失速,水翼的动力特征曲线出现大幅波动;水翼处于顺时针向下旋转阶段,绕水翼的流动状态逐渐由湍流过渡为层流.     

射流对绕水翼云空化流动抑制机理研究

为理解绕水翼云空化流动的发展机理和探究水翼吸力面开孔射流的影响,采用密度修正的RNG k-ε湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型对原始NACA66(mod)水翼和采用射流后的水翼的云空化非定常过程进行模拟和对比分析;采用在水翼吸力面近壁区设立监测线的方法对近壁区的流场进行监测,得到近壁区汽相体积分数、回射流速度、压力及压力梯度的时空分布云图;开展了云空化流场特性的涡动力学分析,进而分析水翼云空化的发生机理和射流抑制空化的抑制机理.结果表明:游离型空泡在下游溃灭时产生强烈的局部高压,其向上游传播导致前缘空穴的一次回缩,而空穴的二次回缩受回射流的影响.回射流的发展区域受限于较高的压力梯度,高的压力梯度一直存在,但回射流在一个周期内的首次出现需要时间的积累.在水翼吸力面射流使得射流孔附近压力升高,弥补了由于空化和绕流造成的压降,压力梯度增大,抗逆压能力增强,对回射流起到阻挡作用;另一方面,射流使得回射流区域面积和回射流的强度也有所减小,从而对云空化的发展起到抑制的效果.Q准则的涡结构云图相比于汽相体积分数云图能显示复杂的流动结构,前缘附着型空穴和尾缘游离型空穴内存在旋涡,回射流对空穴存在剪切作用造成空穴脱落.而射流对空穴和回射流的剪切和阻挡使云空化发展得到抑制.     

云状空化非定常脱落机理的数值与实验研究

结合数值计算和实验技术研究了云状空化的非定常脱落机理. 实验采用高速录像技术观察了绕Clark-y型水翼云状空化形态随时间的变化. 数值计算采用了汽-液两相的当地均相流模型,湍流封闭采用了一种修正的RNG k-\varepsilon方程,利用商业软件的二次开发技术,引入了一种与空化区域水汽相密度相关的系数,对湍流模型进行了修正. 计算和实验结果均表明:云状空化尾部存在着准周期性的涡状空化团的脱落;局部压强的增加是引起空穴断裂进而脱落的直接原因;压强升高是由于近壁处的反向射流引起的;空穴尾部的大规模的旋涡运动引起的近壁处的逆压梯度是引起反向射流的主要原因.      

射流对绕水翼云空化流动抑制机理研究

为理解绕水翼云空化流动的发展机理和探究水翼吸力面开孔射流的影响,采用密度 修正的RNG $k$-$\varepsilon $湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型对原始NACA66(mod) 水翼和采用射流后的 水翼的云空化非定常过程进行模拟和对比分析;采用在水翼吸力面近壁区设立监测线的方法对近壁区的流场进行监测,得到 近壁区汽相体积分数、回射流速度、压力及压力梯度的时空分布云图;开展了云空化流场特性的涡动力学分析,进而分析水 翼云空化的发生机理和射流抑制空化的抑制机理. 结果表明:游离型空泡在下游溃灭时产生强烈的局部高压,其向上游传播 导致前缘空穴的一次回缩,而空穴的二次回缩受回射流的影响. 回射流的发展区域受限于较高的压力梯度,高的压力梯度一 直存在,但回射流在一个周期内的首次出现需要时间的积累. 在水翼吸力面射流使得射流孔附近压力升高,弥补了由于空化 和绕流造成的压降,压力梯度增大,抗逆压能力增强,对回射流起到阻挡作用;另一方面,射流使得回射流区域面积和回射 流的强度也有所减小,从而对云空化的发展起到抑制的效果. $Q$准则的涡结构云图相比于汽相体积分数云图能显示复杂的 流动结构,前缘附着型空穴和尾缘游离型空穴内存在旋涡,回射流对空穴存在剪切作用造成空穴脱落. 而射流对空穴和回射 流的剪切和阻挡使云空化发展得到抑制.      

绕水翼空化流动多尺度数值研究

空化的多尺度效应是一种涉及连续介质尺度、微尺度空化泡以及不同尺度间相互转化的复杂水动力学现象, 跨尺度模型的构建是解析该多尺度现象的关键. 本文基于欧拉-拉格朗日联合算法, 通过界面捕捉法求解欧拉体系下大尺度空穴演化, 通过拉格朗日体系下离散空泡模型求解亚网格尺度离散空泡的运动及生长溃灭. 同时, 通过判断空泡与网格尺度间的关系判定不同尺度空化泡的求解模型. 基于建立的多尺度算法对绕NACA66水翼空化流动进行模拟, 将数值结果与实验进行对比, 验证了数值计算方法的准确性. 研究结果表明, 离散空泡数量与空化发展阶段密切相关, 在附着型片状空穴生长阶段, 离散空泡数量波动较小, 离散空泡主要分布在气液交界面位置; 在回射流发展阶段, 离散空泡逐渐增加并分布在回射流扰动区; 在云状空穴溃灭阶段, 离散空泡数量增多且主要分布在气液掺混剧烈的空化云团溃灭区. 在各空化发展阶段, 离散空泡直径概率密度函数均符合伽玛分布. 空化湍流流场特性对拉格朗日空泡空间分布具有重要影响, 离散空泡主要分布在强湍脉动区、旋涡及回射流发展区域.      

Influence of cavitation on the hydroelastic stability of hydrofoils

This work numerically examines the effect of turbulent and cavitating flow on the hydroelastic response and stability of a hydrofoil. A cantilevered, rectangular, chordwise rigid hydrofoil is modeled as a 2-degrees-of-freedom structure for its spanwise bending and torsional flexibilities. The fluid flow is modeled with the incompressible, Unsteady Reynolds Averaged Navier–Stokes equations using an eddy-viscosity turbulence closure model that is corrected for the presence of cavitation, and with a transport equation based cavitation model. The results show that, in general, massive cavitation tends to: (i) reduce the mean lift, (ii) increase the mean drag, (iii) lower the mean deformations, and (iv) delay static divergence, while unsteady sheet/cloud cavitation promotes flow induced vibrations. Such vibrations and load fluctuations could be as large as (and even greater than) the mean values for cases with unsteady cavitation, so dynamic and viscous fluid–structure models are needed to simulate flexible hydrofoils in cavitating flows. In general, the flow induced vibrations, and hence the drag force, are higher with decreasing stiffness. For small leading edge partial cavitation, increasing foil flexibility increases the maximum cavity length and reduces the cavity shedding frequency; however, the influence of foil flexibility is limited for cases where the maximum cavity length is near or beyond the foil trailing edge, because of the relocation of the center of pressure at the elastic axis, near the mid-chord. The results show that the mean deformations are generally limited by stall, and by the quasi-steady linear theory predictions at the fully-wetted and supercavitating limits. Furthermore, frequency focusing can occur when the cavity shedding frequency is near the fundamental system resonance frequencies, and broadening of the frequency spectrum can occur due to excitation of the sub-harmonics and/or modulation induced by the fluctuating cavities, if the cavity shedding frequency is away from the fundamental system resonance frequencies.     

Numerical analysis of unsteady tip leakage vortex cavitation cloud and unstable suction-side-perpendicular cavitating vortices in an axial flow pump

The objective of this work is to simulate and analyze the formations of three-dimensional tip leakage vortex (TLV) cavitation cloud and the periodic collapse of TLV-induced suction-side-perpendicular cavitating vortice (SSPCV). Firstly, the improved SST k–ω turbulence model and the homogeneous cavitation model were validated by comparing the simulation result with the experiment of unsteady cavitation shedding flow around the NACA66-mod hydrofoil, and then the unsteady TLV cloud cavitation and unstable SSPCV in an axial flow pump were predicted using the improved numerical method. The predicted three-dimensional cavitation structures of TLV and SSPCV as well as the collapsing features show a good qualitative agreement with the high speed photography results. Numerical results show that the TLV cavitation cloud in the axial flow pump mainly includes tip clearance cavitation, shear layer cavitation, and TLV cavitation. The unsteady TLV cavitation cloud occurs near the blade trailing edge (TE) where the shapes of sheet cavitation and TLV cavitation fluctuate. The inception of SSPCV is attributed to the tail of the shedding cavitation cloud originally attached on the suction side (SS) surface of blade, and the entrainment affect of the TLV and the influence of the tip leakage flow at the tailing edge contribute to the orientation and development of the SSPCV. The existence of SSPCV was evidently approved to be a universal phenomenon in axial flow pumps. At the part-load flow rate condition, the SSPCV may trigger cavitation instability and suppress the tip cavitation in the neighboring blade. The cavitation cloud on the SS surface of the neighboring blade grows massively, accompanying with a new SSPCV in the neighboring flow passage, and this SSPCV collapses in a relatively short time.     

主动射流控制水翼空化的数值模拟与分析

为了改善高速流动工况下水翼吸力面上流场的空化特性,提出了水翼表面主动射流对绕水翼周围流动加以控制的方法.基于密度分域滤波的FBDCM混合湍流模型联合Zwart-Gerber-Belamri空化模型,分析了来流空化数为0.83,来流攻角为8°,射流位置距水翼前缘为x=0.19c时,主动射流对于水翼吸力面上流动的空化特性和水动力特性影响.对回射流的强度进行了量化分析,以探究回射流与流场空化特性的关系.数值分析结果表明,在射流水翼吸力面上的时均空泡体积为原始水翼的1/15,使得流场内空化流动由云空化状态转变为较为稳定的片空化状态,显著地削弱了云空化的发展.此外,射流极大地改善了水翼的水动力性能,使得水翼的升阻比较原始水翼提高了22.9%,空泡的脱落频率减少了26.2%,空泡脱落所引起的振幅减小了9.1%.射流大幅降低了水翼吸力面上低压区面积,水翼吸力面上流体的逆向压力减小,回射流强度降低;同时,射流使水翼吸力面上的边界层减薄,增强了流动的抗逆压梯度能力,一定程度上阻挡了回射流向水翼前缘的流动,这也从机理上分析了主动射流抑制空化的原因.      

The influence of surface roughness on cloud cavitation flow around hydrofoils

The aim of this study is to investigate experimentally the effect of surface roughness on cloud cavitation around Clark-Y hydrofoils. High-speed video and particle image velocimetry(PIV) were used to obtain cavitation patterns images(Prog. Aerosp. Sci. 37: 551–581, 2001), as well as velocity and vorticity fields. Results are presented for cloud cavitating conditions around a Clark-Y hydrofoil fixed at angle of attack of α = 8?for moderate Reynolds number of Re = 5.6 × 10~5. The results show that roughness had a great influence on the pattern, velocity and vorticity distribution of cloud cavitation. For cavitating flow around a smooth hydrofoil(A) and a rough hydrofoil(B), cloud cavitation occurred in the form of finger-like cavities and attached subulate cavities, respectively. The period of cloud cavitation around hydrofoil A was shorter than for hydrofoil B.Surface roughness had a great influence on the process of cloud cavitation. The development of cloud cavitation around hydrofoil A consisted of two stages:(1) Attached cavities developed along the surface to the trailing edge;(2) A reentrant jet developed, resulting in shedding and collapse of cluster bubbles or vortex structure. Meanwhile, its development for hydrofoil B included three stages:(1) Attached cavities developed along the surface to the trailing edge, with accumulation and rotation of bubbles at the trailing edge of the hydrofoil affecting the flow field;(2) Development of a reentrant jet resulted in the first shedding of cavities. Interaction and movement of flows from the pressure side and suction side brought liquid water from the pressure side to the suction side of the hydrofoil, finally forming a reentrant jet. The jet kept moving along the surface to the leading edge of the hydrofoil, resulting in large-scale shedding of cloud bubbles. Several vortices appeared and dissipated during the process;(3) Cavities grew and shed again.     

Research progresses and prospects of unsteady hydrodynamics characteristics for cavitation

空化作为一种重要的复杂水动力学现象,具有明显的三维流动特征与剧烈的非定常特性,在水力机械、船舶推进器、水利工程中广泛存在,且通常会带来不利的影响,长期以来一直是水动力学领域研究的重点与难点课题之一.本文首先从实验测量和数值模拟两个角度,综述了空化水动力学非定常特性研究的发展概况, 分析了当前存在的问题.在空化实验研究中,主要介绍了空化水洞、空化流场测量以及多物理场同步测量等方面所取得的进展.在数值模拟方法中, 对目前的空化模型和湍流模型进行了分类介绍,并重点讨论了大涡模拟、验证和确认等在空化流模拟中的应用.之后以附着型空化为主, 同时兼顾云状空泡、空蚀、涡空化等,梳理了其研究中存在的几个关键科学问题,包括空化演变、空化流动的三维结构、失稳机制、空化不稳定性及其与低频压力脉动的联系、空化与旋涡的相互作用、空化与弹性水翼的流固耦合、空化对尾流场影响等.最后展望了空化水动力学的研究方向和未来发展趋势.     

ANALYSIS OF UNSTEADY CAVITATION FLOW OVER HYDROFOIL BASED ON DYNAMIC MODE DECOMPOSITION$^{\bf 1)}$

空化是船舶和水下航行体推进器中经常发生的一种特殊流动现象,它具有强烈的非定常性,空化的发生往往会影响推进器的水动力性能和效率. 为探究绕水翼非定常空化流场结构,本文基于 Schnerr-Sauer 空化模型和 SST $k$-$\omega $ 湍流模型,开展绕二维水翼非定常空化流动数值预报与流场结构分析. 通过将数值预报的空泡形态演变和压力数据与试验结果对比,验证了建立的数值方法的有效性. 并基于动力学模态分解方法对空化流场的速度场进行模态分解,分析了各个模态的流场特征. 结果表明,第一阶模态对应频率为 0,代表平均流场;第二阶模态对应频率约为空泡脱落频率,揭示了空泡在水翼前缘周期性地生长与脱落,第三阶模态对应频率约为第二阶模态的 2 倍,揭示了两个大尺度旋涡在水翼后方存在融合行为. 第四阶模态对应频率约为第二阶模态的 3 倍,具有更高的频率,表征流场中存在一些小尺度旋涡的融合行为. 最后对不同空化数下的空化流场进行了模态分解分析,发现脱落空泡的旋涡结构随着空化数的减小而增大,第二阶模态频率随着空化数的减小而减小.