二维空化、超空化流动的数值模拟

通过引入混合密度函数发展了一种新的空化模型,运用Navier-Stokes方程加k-ε两方程湍流模型对Ep-pler E817和NACA 0015水翼的空化流动进行了数值模拟,得到了从空化到超空化的一系列变化过程的数值模拟结果。通过与实验数据进行对比,发现二者吻合较好。     

一种修正的低温流体空化流动计算模型

为了更准确地预测低温流体的空化流动特性, 基于Kubota空化模型, 对蒸发和凝结源项进行修正, 建立了一种考虑热力学效应的空化模型. 分别采用原始和修正的Kubota空化模型, 计算了绕对称回转体液氮的空化流动, 通过与实验结果的比较对修正的空化模型进行了评价. 结果表明, 与原Kubota空化模型比较, 修正的空化模型由于考虑了热力学效应, 计算获得的蒸发量减小, 凝结量增大, 空穴长度减小, 空穴界面形态呈模糊状态.计算结果与实验结果更加一致, 说明修正的空化模型能准确的描述低温流体空化过程的质量传输过程, 能够更准确模拟低温流体中的空化流动特性.      

空化水动力学非定常特性研究进展及展望

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.      

PANS模型在空化湍流数值计算中的应用

采用一种基于标准k-ε模型改进的局部时均化模型（Partially-Averaged Navier-Stokes Model,PANS）,并应用于空化流动计算。控制不同的模型参数,分别对绕平头轴对称回转体和Clark-Y型水翼的空化流动进行模拟,并与实验结果进行对比。结果表明：PANS模型中未分解湍动能比率fk的取值对预测空化流动的数值计算精度有重要影响,改变fk的取值可实现对不同滤波尺度范围内的求解;随着fk值的减小PANS的预测精度逐步提高,能在相对较大范围内求解较小尺度的湍流运动过程中,预测到湍流运动中强烈的非定常特性;同时可以比较准确地预测空化流场结构和动力特性。     

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.      

空化可压缩流动空穴溃灭激波特性研究

为深入研究空化可压缩流动中空泡/空泡团溃灭过程中激波产生、传播及其与空穴相互作用规律,本文采用数值模拟方法对空化可压缩流动空穴溃灭激波特性展开了研究.数值计算基于OpenFOAM开源程序,综合考虑蒸汽相和液相的压缩性,通过在原无相变两相可压缩求解器的控制方程中耦合模拟空化汽液相间质量交换的源项,实现了对空化流动的非定常可压缩计算.利用上述考虑汽/液相可压缩性的空化流动求解器,对周期性云状空化流动进行了数值模拟,并重点研究了空穴溃灭激波特性.结果表明:上述数值计算方法可以准确捕捉到空穴非定常演化过程及大尺度脱落空泡云团溃灭激波现象,大尺度脱落空泡云团溃灭过程分为3个阶段:(1) U型空泡团形成; (2) U型空泡团头部溃灭; (3) U型空泡团腿部溃灭.在U 型空泡团腿部溃灭瞬间,观察到激波产生,并向上游和下游传播,向上游传播的激波与空穴相互作用,导致水翼吸力面新生的附着型片状空穴回缩,直至完全溃灭.并且空穴溃灭激波存在回弹现象, 抑制了下一周期的空化发展.      

采用分段湍流模式研究绕水翼的空化流动

结合空化流动特点,建立了一个包含空间尺度信息的分段湍流模式。计算中,应用基于质量传输空化模型,分别采用三种湍流模型计算了绕Clark-y型水翼云状空化流动,得到了随时间变化的空泡形态以及升、阻力等流场和动力特性。通过与实验结果的对比,表明这三种湍流模型均能捕捉云状空化区域的空泡形态和空泡脱落的非定常细节。分段湍流模式能够更好地调整流场内的湍流黏性,更精确地预测空穴长度和空穴尾部水汽分布,与实验结果吻合较好。     

非定常空化流动涡旋运动及其流体动力特性

采用大涡模拟方法对绕水翼云状空化的水动力特性和非定常流场结构进行研究. 基于实验结果对数值方法进行验证,分析空化与流场内部涡旋结构之间的相互作用以及对水翼动力特性的影响. 研究结果表明:大涡模拟方法可以准确模拟绕水翼流动的非定常过程. 在无空化条件下,升阻力系数存在斯特劳哈数St = 0.85 的主频波动,这是由水翼尾部涡旋结构的发展脱落引起的;在云状空化条件下,升阻力系数存在St = 0.34 的高能量密度低频波动,这是由大规模云状空泡团的发展和脱落引起的;云状空化阶段的升阻力系数在St = 0.5~1.5 的范围内都存在较高的波动,这是由于空化现象对水翼尾缘涡旋结构的发展和脱落产生影响,在不同发展阶段,空化现象不同程度地降低尾缘涡旋结构脱落频率.      

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.      

翼型空化绕流数值研究

空化是发生在流体机械上的复杂过程，理论研究遇到很大困难。本文引入合适的空化数值模型，将空腔界面近似为自由面，用界面构造精度较高的流体体积方法求解空腔位置，通过直接求解原始变量的NavuerStokes方程，数值模拟了无界域中空化在翼型上发生、发展和脱落的周期过程；并分析了空化产生对翼型表面的压力分布、翼型收到的阻力和升力的影响。结果表明，空化出现在翼型上表面；由于空化的产生，翼型表面压力分布不稳定，导致升力、阻力和流场压力出现波动，这是实际中产生噪声和损失的主要原因。     

带尾翼水下自然超空泡射弹数值模拟研究

基于Navier-Stokes方程,考虑气液间相变,采用大涡模拟湍流模型,PISO算法及VOF方法,利用自行开发的程序对绕三维带尾翼水下自然超空泡射弹的非定常空泡流动进行了数值模拟研究.通过计算结果得到超空泡从射弹头部初生至完全包裹弹身的形成过程.在此基础上,计算不同攻角条件下的超空泡形态,并给出射弹表面空泡厚度分布曲线,分析不同攻角对超空泡形态特性的影响规律,以及在零攻角条件下,分析尾翼对空泡形态的影响.另外计算不同空化数条件下的超空泡无量纲长度和厚度,将计算结果与实验数据进行对比,两者吻合较好.研究结果为进一步研究水下高速射弹的水动力特性和弹道特性问题提供理论基础.     

Numerical modelling of cavities on axisymmetric bodies at zero and non-zero angle of attack

The flow about submerged, fully cavitating axisymmetric bodies at both zero and non-zero angle of attack is considered in this paper. A cavity closure model that relates the point of detachment, the angle that the separating streamline makes with the body and the cavity length is described. The direct boundary element method is used to solve the potential flow problem and to determine the cavity shape. A momentum integral boundary layer solver is included in the formulation so that shear stresses can be incorporated into the drag calculations. The numerical predictions based on the proposed closure model are compared with water tunnel measurements and photographs.     

超空泡航行体转弯运动流体动力特性的数值研究

基于有限体积法,采用两流体多相流模型和SST(Shear Stress Transport)湍流模型,建立了用于求解超空泡航行体转弯运动过程中的三维数值模型,研究了转弯运动条件下通气空泡的形态特征及超空泡航行体的流体动力特性。计算结果表明:在转弯运动过程中空泡产生弯曲变形,空泡轴线与航行体运动轨道基本重合;由于空泡的弯曲变形航行体两侧表面呈现非对称沾湿,利用空化器横向偏转能够避免沾湿区的出现,而且对航行体水平面流体动力有良好的控制作用。     

Perturbation solution to 3-D nonlinear supercavitating flow problems

A 3-D nonlinear problem of supercavitating flow past an axisymmetric body at a small angle of attack is investigated by means of the perturbation method and Fourier-cosine-expansion method. The first three order perturbation equations are derived in detail and solved numerically using the boundary integral equation method and iterative techniques. Computational results of the hydrodynamic characteristics and cavity shapes of each order are presented for nonaxisymmetric supercavitating flow past cones with various apex-angles at different cavitation numbers. The numerical results are found in good agreement with experimental data. The project supported by the National Natural Science Foundation of China     

Experimental evaluation of numerical simulation of cavitating flow around hydrofoil

Cavitation in hydraulic machines causes different problems that can be related to its unsteady nature. An experimental and numerical study of developed cavitating flow was performed. Until now simulations of cavitating flow were limited to the self developed “in house” CFD codes. The goal of the work was to experimentally evaluate the capabilities of a commercial CFD code (Fluent) for simulation of a developed cavitating flow. Two simple hydrofoils that feature some 3D effects of cavitation were used for the experiments. A relatively new technique where PIV method combined with LIF technique was used to experimentally determine the instantaneous and average velocity and void ratio fields (cavity shapes) around the hydrofoils. Distribution of static pressure on the hydrofoil surface was determined. For the numerical simulation of cavitating flow a bubble dynamics cavitation model was used to describe the generation and evaporation of vapour phase. An unsteady RANS 3D simulation was performed. Comparison between numerical and experimental results shows good correlation. The distribution and size of vapour structures and the velocity fields agree well. The distribution of pressure on the hydrofoil surface is correctly predicted. The numerically predicted shedding frequencies are in fair agreement with the experimental data.     

基于面元法回转体定长局部空泡的绕流计算

基于面元法 ,通过在回转体和空泡壁面放置源汇 ,对回转体定长局部空泡的绕流问题进行计算和分析 ,并讨论了空泡尾部速度过渡闭合模型对绕流计算的影响。计算结果表明 :本文的方法具有快速收敛的特征 ,第 1次叠代和最终收敛时空泡壁面切向速度的误差不超过 5 % ;随着回转体面元总数N的增加 ,局部空泡的空泡数趋于稳定 ;当回转体线型一定时 ,空泡数将随着局部空泡长度的增大而减小     

ON THE PARTIALLY CAVITATING FLOW AROUND TWO-DIMENSIONAL HYDROFOILS

The steady partially cavitating flow around two-dimensional hydrofoils was simulated numerically by the low-order potential-based boundary integration method. The cavity shape and length are determined for given cavitating numbers in the course of iteration by satisfying the kinematic and dynamic boundary conditions. The re-entrant jet model and the pressure-recovery close model are adopted to replace the high turbulent and two-phase wake forming behind the cavity. The results are compared with the other published numerical ones.     

自然超空泡与尾喷流相互作用的数值模拟

认识带尾喷流和自然超空泡的水下高速航行体流体动力特性并发展其预报与控制方法仍是水动力学领域极具挑战性的课题．本研究采用CFD方法对尾喷流和自然超空泡之间的相互作用进行了数值研究．针对发动机欠膨胀超音速喷流，采用现有实验结果验证了基于两方程湍流模型的二维轴对称流动数值模型的可靠性．尾喷流在空气和蒸汽环境中流动的数值计算结果表明，由于蒸汽环境中背压较低，欠膨胀尾喷流无法及时形成压缩波，使得蒸汽环境中尾喷流的过膨胀区和气相扩散区的体积比空气中大；尾喷流很难形成规则的激波格栅，波系结构相对简单．针对携尾喷流的平头航行体超空泡流状态的数值模拟结果表明，尾喷流注入超空泡后迅速充满航行体周围的空腔区域；尾喷流与超空泡尾迹区域形成的回射流相互作用最终导致超空泡断裂，断裂过程中伴随着燃气泡的下泄现象；受空泡壁面约束，尾喷流难以在狭窄的超空泡空腔内完全膨胀，尾喷流的激波波系结构有显著的变化：在喷嘴附近受到压缩，在远离喷嘴区域受到超空泡水汽掺混的破坏；空泡内压强基本维持在饱和蒸汽压附近，没有显著增加．