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.     

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.      

翼型空泡周期性流动的数值模拟及机理分析

采用基于正压关系的均质平衡流空化模型和低雷诺数修正的k-ε湍流模式,自行开发了空泡流数值模拟方法和计算软件,对绕翼型空泡的周期性流动现象进行了数值模拟.计算结果与实验数据的对比表明,空泡的宏观特征、流动特性、周期性脱落的斯坦顿数St等与试验结果接近,验证了计算结果的可靠性.空泡在大约一个周期的2/3时间段内成长,并在大约1/3周期时刻发生断裂脱落.这两个特征时间与高速摄像实验结果一致.所取工况对应的组合参数σ/2α=2.865,以翼弦长计算可得St=0.217,与文献的最新试验结果吻合.空泡周期性运动过程中升阻系数也周期性振荡,时均值C<,1>=0.41,C<,d>=0.097,振荡频率与空泡脱落频率一致.对空泡运动过程中流场结构的变化进行了分析,结果表明在大攻角条件下,空泡闭合区后的逆压梯度导致涡的形成及回射流的发展,沿壁面逆向流动的混合介质射流是引起空泡断裂的原因,回射流发展、涡结构变化与空泡非稳态演化过程存在密切的联系,探讨了翼型空泡发生周期性脱落的一些机理.     

垂直发射条件下水下航行体头型对通气空泡流动及压力特性的影响分析

为了揭示垂直发射条件下水下航行体头型对通气空泡演化过程的力学影响机理,首先基于有限体积法,结合改进型延迟分离涡模型、流体体积多相流模型及重叠网格技术建立了垂直发射条件下通气空泡的数值计算模型.其次,将计算结果与垂直发射实验进行对比,验证了所提出的数值方法对通气云空泡的预测具有较高精度,说明了该方法在通气空泡复杂非定常计算中的适用性.最后,对比研究了相同工况下流线头型和钝头头型航行体通气空泡流动特性和压力特性的差异,从涡量动力学的角度分析了差异产生的原因,结果表明:相比于流线头型航行体,钝头航行体通气空泡气液交界面处速度梯度较小,受到重力和浮力的影响更大,在瑞利-泰勒不稳定性机制的作用下,通气空泡更早发生非线性失稳,空泡失稳区域呈现更为剧烈的浮动行为以及空泡脱落等非定常流动特性;较强的空泡非定常流动特性影响了钝头航行体通气空泡末端的流动分离,从而抑制了空泡末端滞止高压的高幅值特性.     

轴对称空泡流的脉动性态研究

本文采用高速摄影技术对定常来流中１／４平头轴对称体的不稳定的空泡形态特征进行了水洞试验研究。试验结果揭示了由于空泡形态断裂而产生的低频脉动现象，这一现象在跨空泡流情况下尤为明显，常使空泡长度和厚度在大幅范围内拟周期地变动，其频率特性比较稳定，有别于空泡末端局部泡团脱落而产生的脉动。     

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.     

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.      

非定常空泡闭合区域最大压力的理论研究

当物体在流体中高速运动产生空泡时,空泡通常以回射流的形式闭合在物体表面上,并在闭合位置对物体表面产生流体超压. 在物体表面上的空泡闭合位置一般不是固定的,其位置根据物体运动速度的变化、空泡压力的变化及重力场中的位置等因素而在物体表面发 生快速移动,在非对称情况下,这种移动超压会极大影响运动物体的稳定性. 基于势流理论研究了重力场中非定常垂直空泡闭合区域中最大压力的存在位置,推导了最大压力的理论公式,揭示了最大压力与空泡发 展速度之间的关系,证明了最大压力点的两个特殊流体性质. 最后设计了测量空泡闭合区域最大压力的验证性试验,并将理论计算结果与试 验测量结果进行了对比,验证了理论研究结果.     

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.      

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.     

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.     

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.      

Passive control of cavitating flow around an axisymmetric projectile by using a trip bar

Quasi-periodical evolutions such as shedding and collapsing of unsteady cloud cavitating flow, induce strong pressure fluctuations, what may deteriorate maneuvering stability and corrode surfaces of underwater vehicles. This paper analyzed effects on cavitation stability of a trip bar arranged on high-speed underwater projectile. Small scale water tank experiment and large eddy simulation using the open source software Open FOAM were used, and the results agree well with each other. Results also indicate that trip bar can obstruct downstream re-entrant jet and pressure wave propagation caused by collapse, resulting in a relatively stable sheet cavity between trip bar and shoulder of projectiles.     

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...     

Interfacial dynamics‐based modelling of turbulent cavitating flows,Part‐1: Model development and steady‐state computations

The merits of transport equation‐based models are investigated by adopting an enhanced pressure‐based method for turbulent cavitating flows. An analysis of the mass and normal‐momentum conservation at a liquid–vapour interface is conducted in the context of homogeneous equilibrium flow theory, resulting in a new interfacial dynamics‐based cavitation model. The model offers direct interpretation of the empirical parameters in the existing transport‐equation‐based models adopted in the literature. This and three existing cavitation models are evaluated for flows around an axisymmetric cylindrical body and a planar hydrofoil, and through a convergent–divergent nozzle. Although all models considered provide qualitatively comparable wall pressure distributions in agreement with the experimental data, quantitative differences are observed in the closure region of the cavity, due to different compressibility characteristics of each cavitation model. In particular, the baroclinic effect of the vorticity transport equation plays a noticeable role in the closure region of the cavity, and contributes to the highest level of turbulent kinetic energy there. Copyright © 2004 John Wiley & Sons, Ltd.     

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.      

Multiphase fluid dynamics and transport processes of low capillary number cavitating flows

To better understand the multiphase fluid dynamics and associated transport processes of cavitating flows at the capillary number of 0.74 and 0.54, and to validate the numerical results, a combined computational and experimental investigation of flows around a hydrofoil is studied based on flow visualizations and time-resolved interface movement. The computational model is based on a modified RNG k-ε model as turbulence closure, along with a vapor-liquid mass transfer model for treating the cavitation process. Overall, favorable agreement between the numerical and experimental results is observed. It is shown that the cavi- tation structure depends on the interaction of the water-vapor mixture and the vapor among the whole cavitation stage, the interface between the vapor and the two-phase mixture exhibits substantial unsteadiness. And, the adverse motion of the interface relates to pressure and velocity fluctuations inside the cavity. In particular, the velocity in the vapor region is lower than that in the two-phase region.