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.      

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。     

绕水翼超空化流动形态与速度分布

为揭示超空化流场结构特性,利用高速全流场显示技术,观察了绕hydronautics水翼的超空化流动形态,并利用数字粒子图像测速仪(DPIV)测量了其速度分布. 在测量空穴内部流速分布时,采用空化流场中的空化泡作为示踪粒子来显示流动结构. 结果表明:随着空化数的降低,超空化流动显现出了明显的阶段特征,其中水汽混合相和汽相的分布决定了空化区域的形态与流速分布;空化区和主流区的汽液交界面处存在着较大的速度梯度;低速分布区域随着空化数的降低由水翼吸力面中后部向水翼下游移动;在空化区域内部,水汽混合区的速度相对较低,而汽相区则与主流区有着相近的速度分布.关键词超空化水翼、DPIV、高速摄像、空化形态、流速分布      

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.      

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...     

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。     

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.      

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-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.     

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。     

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.     

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.      

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.      

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.      

Parametric excitations and lock-in of flexible hydrofoils in two-phase flows

This work introduces a reduced-order method to study the parametric excitations and lock-in of flexible hydrofoils caused by unsteady two-phase (cavitating) flow. The reduced-order method is based on a 1-DOF structural model coupled with a van der Pol wake oscillator with empirically derived relations for the variation in lift, cavity-length, and cavity-shedding frequency as a function of a non-dimensional cavitation parameter. The results are compared with several available data from both numerical simulations and experimental measurements. The frequency content of both the predicted and measured vibrations suggested that, in addition to the primary cavity-shedding frequency and the hydrofoil natural frequencies, unsteady two-phase flows may excite additional modulated frequencies due to time-varying fluid-added mass effects. The results show that these frequency modulations might cause the flexible hydrofoil to undergo higher-order resonances, as well as parametric resonances. While the maximum deformations for the primary and higher-order resonances were observed to damp out, parametric resonances might persist even with realistic fluid damping coefficients (4–12%). It was observed that with higher effective foil flexibility, the cavity-shedding frequencies may be significantly modified from the rigid foil trends, and may instead lock-in with the system natural frequencies.