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.     

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.      

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.     

可压缩空化流动空穴演化及压力脉动特性实验研究

空化流动具有高度的压缩性,空化流动非定常特性及其流体动力与压缩性密切相关.为研究可压缩空化流动空泡脱落的回射流和激波机制下周期性空穴结构演化及其诱导流体动力特性,本文采用多场同步测试方法对典型云状空化流动进行了实验研究,获得了文丘里管扩张段内部云状空化空穴形态演化及其诱导同步壁面压力脉动信号.并基于数字图像处理技术,对附着型片状空穴和脱落型云状空穴结构演化进行了精细化定量分析.结果表明:可压缩空化流动回射流机制下,空穴演化呈现附着型空穴生长$\!$-$\!$-$\!$回射流产生及发展$\!$-$\!$-$\!$附着型空穴失稳断裂及大尺度空泡云团产生脱落的非定常过程,激波机制下空穴演化具有附着型空穴生长$\!$-$\!$-$\!$激波产生及传播$\!$-$\!$-$\!$附着型空穴失稳断裂及大尺度空泡云团脱落的非定常特征,激波传播时间占空穴脱落周期小于回射流推进.激波与空穴相互作用导致空穴内部含气率瞬间大范围大幅度下降,诱导复杂流体动力.激波传播过程中,空泡内部压力脉动大幅增加,激波前缘诱导压力脉冲,而回射流推进过程中,壁面压力脉动相对平稳,回射流头部存在小幅增加. 不同机制下空穴结构存在显著差异,具有不同的相间质量传输过程.      

基于动力学模态分解法的绕水翼非定常空化流场演化分析

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.      

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.     

可压缩空化流动空穴演化及压力脉动特性实验研究

空化流动具有高度的压缩性,空化流动非定常特性及其流体动力与压缩性密切相关.为研究可压缩空化流动空泡脱落的回射流和激波机制下周期性空穴结构演化及其诱导流体动力特性,本文采用多场同步测试方法对典型云状空化流动进行了实验研究,获得了文丘里管扩张段内部云状空化空穴形态演化及其诱导同步壁面压力脉动信号.并基于数字图像处理技术,对附着型片状空穴和脱落型云状空穴结构演化进行了精细化定量分析.结果表明:可压缩空化流动回射流机制下,空穴演化呈现附着型空穴生长-回射流产生及发展-附着型空穴失稳断裂及大尺度空泡云团产生脱落的非定常过程,激波机制下空穴演化具有附着型空穴生长-激波产生及传播-附着型空穴失稳断裂及大尺度空泡云团脱落的非定常特征,激波传播时间占空穴脱落周期小于回射流推进.激波与空穴相互作用导致空穴内部含气率瞬间大范围大幅度下降,诱导复杂流体动力.激波传播过程中,空泡内部压力脉动大幅增加,激波前缘诱导压力脉冲,而回射流推进过程中,壁面压力脉动相对平稳,回射流头部存在小幅增加.不同机制下空穴结构存在显著差异,具有不同的相间质量传输过程.     

空泡流非稳态现象的流动控制

处于跨临界阶段的空泡流必然导致强烈的周期性冲击和振动,空泡流的激振来源于空泡云的周期性大规模脱落,空泡云的形成和发展与流动的边界层效应有着强烈的相关性,且空泡末端的局部流动直接影响空泡流的整体稳定性,本试验在NACA16012水翼表面粘附一条展向1mm厚10mm宽的挡流条,尝试以干扰水翼上表面局部流动的方法来影响整个空泡流的形态及其流动稳定性,最终在一定的空泡数范围内抑制了空泡流激振现象,并从试验研究的角度探索了空泡云脱落的机理。     

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.      

考虑当地涡旋运动修正的湍流模型在非定常空化湍流流场计算中的应用

为了更精确地模拟当地涡旋运动对复杂非定常空化湍流流动的影响,考虑当地涡旋运动特性对标准k-ε湍流模型进行了修正;并采用该修正模型对二维Clark-Y水翼周围非定常空化湍流场进行了计算;通过与实验结果进行对比,分析并验证了该修正模型计算结果的有效性。研究表明:该修正湍流模型根据当地涡旋效应对湍动能输运方程中的生成项进行修正,可以有效解决标准k-ε模型对湍动能的过度预测问题,得到的空化核心区域时均湍动能和湍流黏性的预测结果降低了约30%,与实际值更为接近;标准k-ε模型计算所得的时均空泡长度不大于0.6倍弦长,而修正模型计算所得的时均空穴可以覆盖水翼吸力面;修正模型可以准确预测水翼吸力面表面空泡的非定常脱落过程,包括附着空穴的拉伸和断裂,以及脱落空泡的逐渐消失。     

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.     

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.      

Combined experimental observation and numerical simulation of the cloud cavitation with U-type flow structures on hydrofoils

Sheet/cloud cavitation is an important topic that is a very common type of cavitation in turbo-machinery and marine propeller. Up to now we still have limited understanding of the cavitation shedding dynamics and cloud cavity formation and development. The present study used experimental and numerical studies to gain a better understanding of the complex physics involved in this problem. A series of experimental observations around hydrofoils are carried out in the cavitation tunnel of the China Ship Scientific Research Center (CSSRC) to illustrate the spatial–temporal evolution of the cloud cavity in detail. The results demonstrate that U-type flow structures are common in cloud cavities and can be divided into three stages and the closure line in a sheet cavity often has a convex–concave profile. Reentrant flows occur in the convex region with the jet direction normal to the contour edge so the shedding is mainly caused by the converging reentrant flows. Further analysis demonstrated that there was a striking difference with the cavity growth suppressed substantially in the twisted hydrofoil case if compared with straight hydrofoil and the effect of side entrant jets might make the cavity more uniform across the span. Numerical simulations were used to simulate the formation and development of the cloud cavity. The results show that the strong adverse pressure gradient in the stagnation region at the downstream end of the attached cavity forces the re-entrant flows into the vapor structure with a radially-diverging re-entrant jet and a pair of side-entrant jets, which causes the cavity shedding. Further analyzes of the local flow fields show that the interactions between the circulating flow and the shedding vapor cloud may be the main reason for the formation of the U-type cloud cavity structures.     

Numerical analysis of unsteady cavitating turbulent flow and shedding horse-shoe vortex structure around a twisted hydrofoil

Cavitating turbulent flow around hydrofoils was simulated using the Partially-Averaged Navier–Stokes (PANS) method and a mass transfer cavitation model with the maximum density ratio (ρ_l/ρ_v,clip) effect between the liquid and the vapor. The predicted cavity length and thickness of stable cavities as well as the pressure distribution along the suction surface of a NACA66(MOD) hydrofoil compare well with experimental data when using the actual maximum density ratio (ρ_l/ρ_v,clip = 43391) at room temperature. The unsteady cavitation patterns and their evolution around a Delft twisted hydrofoil were then simulated. The numerical results indicate that the cavity volume fluctuates dramatically as the cavitating flow develops with cavity growth, destabilization, and collapse. The predicted three dimensional cavity structures due to the variation of attack angle in the span-wise direction and the shedding cycle as well as its frequency agree fairly well with experimental observations. The distinct side-lobes of the attached cavity and the shedding U-shaped horse-shoe vortex are well captured. Furthermore, it is shown that the shedding horse-shoe vortex includes a primary U-shaped vapor cloud and two secondary U-shaped vapor clouds originating from the primary shedding at the cavity center and the secondary shedding at both cavity sides. The primary shedding is related to the collision of a radially-diverging re-entrant jet and the attached cavity surface, while the secondary shedding is due to the collision of side-entrant jets and the radially-diverging re-entrant jet. The local flow fields show that the interaction between the circulating flow and the shedding vapor cloud may be the main mechanism producing the cavitating horse-shoe vortex. Two side views described by iso-surfaces of the vapor volume fraction for a 10% vapor volume, and a non-dimensional Q-criterion equal to 200 are used to illustrate the formation, roll-up and transport of the shedding horse-shoe vortex. The predicted height of the shedding horse-shoe vortex increases as the vortex moves downstream. It is shown that the shape of the horse-shoe vortex for the non-dimensional Q-criterion is more complicated than that of the 10% vapor fraction iso-surface and is more consistent with the experiments. Further, though the time-averaged lift coefficient predicted by the PANS calculation is about 12% lower than the experimental value, it is better than other predictions based on RANS solvers.     

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.      

收缩扩张管内液氮空化流动演化过程试验研究

本文基于低温空化试验平台研究了收缩扩张流道内液氮非定常空化流动的演化过程. 试验采用高时空分辨率的高速摄像机对77 K液氮在不同空化数σ下空穴结构的演变进行了精细化的分析和研究. 利用试验得到的空穴长度和面积等数据, 定量分析了液氮空化流动的非定常特性与时空演变规律. 研究结果表明: (1)在相似来流速度和温度条件下, 随着空化数的减小, 液氮空化流动呈现四种典型流型, 空穴长度在2.5 h以内为初生空化、空穴长度在2.5 h ~ 7.5 h之间为片状空化、空穴长度在7.5 h ~ 15 h之间为大尺度云状空化, 空穴长度超过15 h为双云状空化, 且在大尺度云状空化和双云状空化阶段均捕捉到了回射流现象; (2)液氮空化流动从初生空化到双云状空化, 脱落空穴的尺度逐渐增大, 空穴面积脉动的幅值和准周期均有所增加. 同时, 在大尺度云状空化与双云状空化阶段, 喉口处堵塞效应对空化流动的影响显著增强; (3)相比于初生空化, 片状空化、大尺度云状空化以及双云状空化中脱落空穴的移动距离依次增加了0.97倍、2.65倍与2.68倍, 溃灭时间依次增加了1.18倍、3.59倍与4.47倍, 但溃灭速度依次减小了0.10倍、0.20倍与0.30倍. 除此之外, 对于双云状空化阶段, 存在两种显著不同的脱落空穴演化过程.