绕水翼片状空化流动结构的数值与实验研究

采用数值与实验相结合的方法研究了水翼片状空化流动结构.实验采用高速录像技术观察了片状卒泡形态,应用LDV测量了翼型周围的湍动能和速度分布;采用N-S方程和基于空泡动力学方程的空化模型计算了绕水翼片状空化流场.结果表明:在片状空化阶段,翼型吸力面上附着很薄的一层透明空泡,空泡彤态呈现于指状;随着空化数的减少,空泡尾部水汽交界面相互作用增强,并且空泡尾部出现大的旋涡,影响了空泡尾部区域压力和速度分布,片状空泡尾部的水汽混合区出现不稳定现象,同时存在小的空泡团脱落.数值模拟得到的水翼片状空化流动现象和实验观察到的结果基本一致,验证了计算模型和数值方法的可靠性.     

翼型空化绕流特征和流激特性的关联分析

基于DES湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型对空化初生和片状空化阶段791翼型非定常绕流进行了数值模拟,着重分析了不同空化阶段翼型绕流的流动特征、压力脉动特性及两者间的关联关系。研究表明:翼型表面空穴的非稳态演变与翼型动力特性变化相互映射;在空化初生阶段,主空穴的周期性变化和翼型展向外缘处空泡团的周期性脱落是此阶段流激振动的主要激励;在片状空化阶段,主空穴和U型空穴结构的周期性变化是此阶段的主要激励;空泡脱落处的压力脉动幅值远大于无空穴区域和空穴发生区域。研究结论为翼型空化绕流诱发振动机理研究的深入提供了一定的参考.     

轴流泵叶顶间隙空化流可视化实验研究

运用高速数码摄像系统对比转速为700的轴流泵在最优工况流量下不同空化程度时的叶顶间隙内空化流动进行拍摄实验,捕捉到空化发生位置和空泡团形态随空化程度变化的演变过程。实验结果表明:叶顶间隙内空化发生的初始位置位于叶顶翼型头部,空泡团为沿叶片工作面向背面旋转的旋涡空化,旋转轴和圆周方向基本一致;随着泵汽蚀余量的降低,空化发生位置和空泡团与叶顶翼型粘连的区域均呈由叶顶翼型头部向尾部延伸发展的趋势;当泵发生汽蚀时,空化发生位置覆盖整个叶顶翼型,间隙空泡团和叶片背面空泡团相掺混,对叶轮流道内液相主流产生强烈干扰,导致泵能量性能急剧下降。研究结果为轴流泵叶顶间隙内空化发生及发展过程的理论研究提供了有效参考。     

绕水翼云状空化流动特性的研究

采用高速全流场显示技术分别观测了绕超空化水翼和Clark-Y型水翼的云状空化.结果表明:绕超空化水翼和Clark-Y型水翼的云状空化具有相同的变化过程,即:生成、成长、膨胀、脱落和消失溃灭五种状态,两种空化云流动都具有明显的脱落周期和脱落轨迹.在翼型尾部存在的反方向射流,致使空化旋涡脱落;尽管模型尺度、来流速度和空化数基本相同,但由于超空化水翼与Clark-Y型水翼断面形状不同,使翼型尾部的反方向射流强度不同,故与来流相互作用强度不同,导致绕两种水翼的空化云脱落周期不同.在本文实验条件下,绕超空化水翼空化云和Clark-Y型水翼空化云的脱落频率分别为13.5 Hz和19 Hz.     

FBM模型在栅中翼形空化流动计算中的应用

以单排Clark-Y型水翼叶栅为例,采用滤波器湍流模型(FBM)对绕栅中水翼的空化流动进行数值研究。雷诺数和空化数结合水洞实验工况进行设置,滤波尺寸根据加密区最大网格尺度取出经验值,模型通过二次开发方法嵌入至CFX软件中。对栅中水翼空化流动特性的分析表明,栅中翼形前缘和后缘部分均可能发生准周期性的空泡脱落现象,其脱落周期随空化数的降低而变大;前缘和后缘空泡的脱落均对翼型阻力产生影响,但前者影响更大,随空化数的降低,脱落现象逐渐局限于后缘部分,使翼型所受阻力的波动大为减弱。     

绕不同涂层水翼片状空化运动特性的实验研究

本文采用高速全流场显示技术和粒子图像测速系统(PIV)实验方法讨论了绕不同涂层水翼片状空化流动结构、运动特性的影响。结果表明:涂层的粗糙度和材质共同影响绕水翼片状空化流动结构和运动特性。实验中观察流动结构,发现粗糙表面比光滑表面更易于出现片状空化,氟碳涂层比环氧涂层更能够抑制片状空化;运动特性方面,表面粗糙度与涂层材质相比较,材质对片状空化的运动特性影响更大:表面光滑的氟碳涂层的低速区最小且区内速度波动也最弱,但区内的涡量分布更为集中;不同涂层造成水翼表面速度旋涡的位置不同,导致空穴脱落的位置不一样,空穴发展长度不同。     

基于修正的RNGκ-ε模型的水翼空化数值模拟

基于全空化模型,提出了修正RNGκ-ε模型,并对NACA0015水翼的非定常空化流场进行了数值研究。基于标准RNGκ-ε模型和修正的RNGκ-ε模型,在8°和20°两种冲角及Re=3×10~5的条件下,针对不同空化数,分别预测了翼型周围的速度场、翼型表面的空穴形态以及非定常空化时空泡的演化过程。和试验结果对比,两个湍流模型都能较好地捕捉翼型周围的大空泡团,其中,标准的RNGκ-ε模型能较好捕捉翼型头部的空穴,修正的RNGκ-ε湍流模型能更好地模拟翼型表面的空穴形态、空泡脱落过程及其产生的回流。     

绕Hydronautics水翼空化旋涡的高速录像观察

为了解hydronautics超空化水翼的绕流流场特性,采用高速摄像机等流动显示设备,在空化水洞中针对此种超空化水翼进行了一系列绕流流场显示实验。实验结果表明,绕这种超空化水翼的空化形成与发展,均与产生于翼型前端 (吸力面)和尾端(压力面)的旋涡或二者的结合体:空化涡街有关;空化数的大小,决定了空化涡街形成与溃灭的不同特征;当空化数较低时,涡街中空化旋涡的扩张形成了闭合的超空化区域。     

绕水翼超空化现象的实验研究

超空化现象由于可被应用于水下运动物体的减阻而重新引起了人们的关注。为了了解超空化流动区域的流动特性,观察了超空化流动区域的流动结构;采用LDV的方法测量了超空化发生时绕水翼的速度分布大小。结果表明,当空化发展到超空化阶段,在流动区域内形成明显的空化和水流两个流动区域。在超空化流动区域内,充满了空泡和水的混合物。靠近界面的区域内,混合液流的流速和主流区域的流速大小基本相同,而在邻近翼型表面的区域内,具有较大的速度梯度。     

表面涂层对绕水翼空化流动影响的实验研究

本文采用高速全流场显示技术观测了两种涂层对绕Clark-Y型水翼空化流动的影响。研究中,随着空化数的降低,主要观测了绕水翼的初生空化、片状空化、云状空化三个阶段σ=1.50时,绕水翼A的空化流动已经发展至片状空化,绕水翼B的空化流动处于初生空化阶段。σ=1.19时,绕水翼A与水翼B空化流动均处于片状空化阶段,围绕两种模型的空穴长度接近,空泡破裂时形成了大量马蹄涡,水翼A表面的附着型锥状空穴产生了大尺度的涡团。σ=0.7时,绕水翼A和水翼B皆为云状空化阶段,绕水翼A的无量纲空化面积小于水翼B;反向射流导致大尺度涡团周期性脱落,绕水翼A的空化涡团脱落较为整齐,绕水翼B则产生分散的马蹄涡。     

绕水翼初生游离型空化流动结构

为了研究初生空化流动形态及其紊流流场结构,采用高速录像技术观察了绕Clark-Y型水翼初生空化的空化形态,应用LDV分别测量了无空化和初生空化条件下的紊流流场分布.结果表明,绕水翼小攻角无分离流动区域的初生空化形态呈游离发夹涡型空泡团结构,但其具有和单泡相同的发展过程;初生空化和无空化紊流流场的速度和紊流强度没有发现有规律性的差异,初生游离型空穴的形成与发展过程,对雷诺平均流场没有显著的影响.     

基于高速摄像实验的开放腔体圆柱壳入水空泡流动研究

基于高速摄像方法,针对入水空泡流动特征和机理,进行了开放腔体圆柱壳垂直入水实验研究.通过对实验现象的观测,发现开放腔体圆柱壳入水运动会形成波动流动和云化流动两种流动方式,结合影像数据,分别描述了两种流动状态下的空泡形态特征,并获得了空泡波动参数的变化规律;对比不同入水速度实验,分析了入水速度对入水空泡流动方式和流动参数的影响;依据流体力学基本理论,分析了入水空泡波动和云化现象的形成机理.结果表明:随入水速度增加,入水空泡依次呈现波动和云化两种流动状态,波动频率与入水速度无关,闭合发生时间随入水速度增加而减小,与Froude数呈线性关系;入水导致开放空腔内部气体涨缩,引起开放端压力场和速度场周期性扰动,空泡截面扩展程度出现差异,形成空泡波动现象;空泡闭合后尾部形成回射流,回射流触及空泡壁面引起壁面流动转捩,形成空泡云化现象.     

Numerical simulation of cavitating flow around a slender body with slip boundary condition

In this paper, we perform a numerical simulation of the cavitating flow around an underwater hemispherical-head slender body running at a high speed. For the first time, the slip boundary condition is introduced into this problem, and we find that the slip boundary condition has a big influence on the cavitation in the flow-separation zone. By simulating the cavitating flow under different cavitation numbers, we demonstrate that the slip boundary condition can effectively reduce the intensity of cavitation, as represented by the length of cavitation bubbles. The present paper provides a new method for utilization of new surface materials to control the cavitation on the underwater moving objects.     

绕空化器自然空化与通气空化的对比

本文采用高速全流场显示技术和动态应变式测力系统相结合对比了绕圆盘空化器自然空化流场与通气空化流场流动结构和影响因素。结果表明,自然空化和通气空化在流场形态上有着相同的发展过程:初生空化、带状空化、团状空化、半透明超空化和透明超空化;空化数是自然空化主要影响因素之一,通气量是通气空化主要影响因素之一。通气能够促进绕空化器空化流动发展程度。     

绕空化器通气空化流场的实验研究

本文采用高速全流场显示技术和动态应变式测力系统相结合研究了绕圆盘空化器通气空化流动发展过程和动力特性,讨论了通气量对空化流场形态和阻力的影响。结果表明：随着雷诺数增加,绕空化器的通气空化流场经历了初生空化、带状空化、团状空化,阻力系数不断减小,未发生自然空化时,减阻效果明显;随着通气量增加,绕空化器通气空化流场出现了半...     

Investigation of cavitation noise using Eulerian-Lagrangian multiscale modeling

We have employed the large eddy simulation (LES) approach to investigate the cavitation noise characteristics of an unsteady cavitating flow around a NACA66 (National Advisory Committee for Aeronautics) hydrofoil by employing an Eulerian-Lagrangian based multiscale cavitation model. A volume of fluid (VOF) method simulates the large cavity, whereas a Lagrangian discrete bubble model (DBM) tracks the small bubbles. Meanwhile, noise is determined using the Ffowcs Williams-Hawkings equation (FW-H). Eulerian-Lagrangian analysis has shown that, in comparison to VOF, it is more effective in revealing microscopic characteristics of unsteady cavitating flows, including microscale bubbles, that are unresolvable around the cloud cavity, and their impact on the flow field. It is also evident that its evolution of cavitation features on the hydrofoil is more consistent with the experimental observations. The frequency of the maximum sound pressure level corresponds to the frequency of the main cavity shedding for the noise characteristics. Using the Eulerian-Lagrangian method to predict the noise signal, results show that the cavitation noise, generated by discrete bubbles due to their collapse, is mainly composed of high-frequency signals. In addition, the frequency of cavitation noise induced by discrete microbubbles is around 10 kHz. A typical characteristic of cavitation noise, including two intense pulses during the collapsing of the cloud cavity, is described, as well as the mechanisms that underlie these phenomena. The findings of this work provide for a fundamental understanding of cavitation and serve as a valuable reference for the design and intensification of hydrodynamic cavitation reactors.