水翼的空化噪声数值预报研究

以NACA0015水翼为研究对象,采用Schnerr-Sauer空化模型和Ffowcs-WiliamsHawkings声学模型,计算了二维水翼的空化噪声,并对水翼的空化过程和水翼空化的噪声性能进行了分析。研究结果表明,水翼空化呈现出明显的脉动性和周期性,空化空泡云脱落的周期为0.170 4s,由漩涡引起的水翼壁面附近的反向射流是诱发空化空泡形成和脱落的主要成因。通过分析各个监测点的声压脉动特性可知,噪声在水翼头部区域的传播与主流方向一致,没有逆向传播。在空化发展过程中,空化区域的噪声信号有向下游叠加的趋势,但是传播到水翼尾部流动区域时,已经逐渐衰减完毕。     

考虑当地流动特征的Zwart-Gerbera-Belamri空化模型改进及应用

为减小Zwart-Gerbera-Belamri空化模型中经验参数取值对数值模拟结果的影响,基于当地流动特征修正了Zwart-Gerbera-Belamri空化模型.联立Realizable k-ε湍流模型,分别采用修正前后的Zwart-Gerbera-Belamri空化模型对二维NACA0009 MOD水翼空化流场进行了数值模拟,空化数范围为0.75~0.90.并采用修正前后的Zwart-Gerbera-Belamri空化模型对二维Clark-Y水翼的初生空化、片状空化、云空化进行非定常数值模拟,空化数范围为3.00~0.55.将数值模拟结果与已有实验结果进行对比,结果表明:引入当地流动特征可以有效减小Zwart-Gerbera-Belamri空化模型中的气泡半径及气核体积分数的取值对数值模拟结果的影响,且修正后的空化模型能够捕捉不同空化数下绕Clark-Y翼型的时均升阻力系数的变化趋势.      

基于当地流动特征的Schnerr-Sauer空化模型改进研究

为消除空化模型中人为确定的经验参数对数值模拟结果的影响,引入当地流动特征对考虑非冷凝气体的Schnerr-Sauer空化模型进行修正.采用Mixture多相流模型及Realizable k-ε湍流模型,对二维NACA0009 MOD水翼的定常空化进行了数值模拟,空化数范围为0.75~0.90.将数值模拟结果与已有实验结果进行对比表明:对于考虑了非冷凝气体的Schnerr-Sauer空化模型,在引入当地流动特征修正前,非冷凝气体数密度n的取值对数值模拟结果影响较大,非冷凝气体直径d_nuc的取值对模拟结果的影响较小;在引入剪切应变率修正后,空化模型中的参数n的取值对数值模拟的结果不再有显著影响.同时,该修正方法提高了考虑非冷凝气体的Schnerr-Sauer空化模型的准确性,准确地预测了空穴造成压力梯度突变的位置.      

绕水翼超空化流场的数值模拟

基于Reynolds平均法,采用RNG k-ε模型及Mixture两相流模型,对绕水翼ys930的超空化流动进行了数值模拟,得到了绕水翼各个超空化阶段的超空化形态及各阶段的临界空化数与水翼攻角、来流雷诺数之间的关系,确定了临界空化数与来流雷诺数在不同攻角条件下的0.4次方经验关系式,给出了系数的取值区间.结果表明:超空化的发展经历了超空穴形成、汽液两相共存和完全发展3个阶段;各阶段的临界空化数随水翼攻角的增大而增大,基本呈线性关系;由于回射流的作用,在水翼前缘处形成一个逆时针旋涡,使逐渐长大的空泡脱离水翼吸力面并向下游脱落;在不同空化数下,空泡脱落的位置不同,导致空泡长度的变化.     

绕水翼非定常云空化流动的大涡模拟

该文基于N-S方程及压力隐式分裂算法,考虑气液间相变,采用大涡模拟湍流模型和流体体积法研究了绕NACA0015水翼非定常云空化流动特性.分析了包括初始涡、回射涡、空泡分离及空泡再生的周期性脱落过程,计算了斯德鲁哈尔数St、无量纲空泡长度和不同空化数下的水动力系数,计算结果与实验结果吻合.Kunz模型和Sauer模型对空泡形态的模拟结果表明,两种空化模型都能很好地模拟非定常云空化流动.     

基于滤波器湍流模型的水翼空化数值模拟

采用界面捕获法,在均相流模型假设下,引入滤波函数修正了RNG k-ε湍流模型,基于正压流体假设的状态方程空化模型.采用SMPLEC算法,数值求解雷诺平均的Navier-Stokes方程,模拟了二维NACA66(Mod)翼型的定常、非定常空化流动.计算得到的翼型表面压力分布与试验结果基本一致,较好地模拟了非定常空化云的初生、发展、断裂和脱落的周期性过程,非定常流动的斯特劳哈数与试验结果相吻合.给出了2个时刻的翼型表面速度矢量场,分析了空泡内部流动结构,结果发现翼型空泡尾部的反向射流是引起翼型表面局部压力升高,进而导致空泡发生断裂及空化云脱落的重要原因.     

云状空化流动数值模拟的空化模型评价

为深入了解空化模型对云状空化流动计算的影响,分别采用Kubota,Singhal,Merkle,Kunz四种不同的空化模型对绕水翼的云状空化流动进行了数值模拟,获得了空穴形态和升、阻力等流场动力随时间的变化特性. 通过与实验结果的对比表明,这四种空化模型均可以准确地捕捉云状空化区域的空穴形态和空泡脱落的非定常细节;不同空化模型对计算所得的空穴形态和长度、绕翼型速度矢量场、升阻力均有影响, 但对流场动力特性的主要频谱分布影响不大.     

绕水翼超空化流动数值模拟的湍流模型评价

为深入了解湍流模型对超空化流动计算的影响,分别采用3种不同的湍流模型即标准κ-ε模型、RNGκ-ε模型和SSG雷诺应力模型,对绕水翼的超空化流动进行了数值模拟,并与实验结果进行了对比.结果表明:标准κ-ε模型仅能模拟出定常状态的超空化形态;RNGκ-ε模型和SSG雷诺应力模型能较为准确地模拟出超空化区域内的两相混合非定常特性,并完整再现了空泡内部两相(气相和水气混合相)界面的反向波动过程,而采用RNGκ-ε模型计算得到的最大空泡长度与实验最为接近.     

部分水深平均二维计算模型的研究

通过研究天然河流中瞬时源排放近区垂向混合规律,建立了部分水深平均二维计算模型,推导得出瞬时点源垂向均匀混合的纵向距离及垂向部分混合水深的理论表达式,并建立线源排放垂向均匀混合的给 距离及垂向部分混合水深的函数关系,把上述成果引入了部分水深平均二维计算模型,将其应用于长江口段罗丹明示踪剂瞬时源排放浓度场的计算中,计算结果与现场趾监测资料及全场水深平均二维模型的计算值进行比较,可看出部分水深平均模型计算值与实测值证较好,而全水深平均模型的计算值在近排口范围内与实测值相关较大。     

二维翼大迎角绕流湍流模型及涡控制的数值研究

通过数值求解雷诺平均Ｎ－Ｓ方程,研究了二维翼型的大迎角粘性绕流,并分析了翼型的近场旋涡分离流动特性。基于流动机理分析,中进一步开展了二维非定常“质量引射”的数值分析,旨在对流场进行控制,探讨提高翼型升力的有效途径。同时还比较了两种典型湍流模型（ＢＬ模型和ＪＫ模型）对这类复杂流动计算结果的影响。     

A numerical study of cavitating flows in high-pressure diesel injection nozzle holes using a two-fluid model

Cavitating flows inside a diesel injection nozzle hole were simulated using a two-fluid model. Attention was focused on the complex cavitation processes and flow characteristics under constant inlet pressure and fluctuant inlet pressure modes. To validate the two-fluid model, model predictions were compared with the experimental data available in the literatures, and good agreement was achieved. The numerical results show that the appearance of supercavitation in the diesel nozzle hole induces obvious changes of flow field structures and exit flow conditions. The distributions of liquid phase turbulent kinetic energy and exit velocity profiles corresponding to the supercavitation regime indicate the potential for promoting the primary breakup of a diesel jet. Furthermore, the upstream pressure fluctuations significantly influence the cavitation processes. Both partial cavitation and supercavitation show unsteady behaviors as the rapid rise or fall of upstream pressure. Supported by the National Natural Science Foundation of China, Key Project Funding (Grant No. 50636040) and Major State Basic Research Development Program (Grant No. 2007CB210001)     

Validation of full cavitation model in cryogenic fluids

Numerical simulation of cavitation in cryogenic fluids is important in improving the stable operation of the propulsion system in liquid-fuel rocket. It also represents a broader class of problems where the fluid is operating close to its critical point and the thermal effects of cavitation are pronounced. The present article focuses on simulating cryogenic cavitation by implementing the “full cavitation model”, coupled with energy equation, in conjunction with iterative update of the real fluid properties at local temperatures. Steady state computations are then conducted on hydrofoil and ogive in liquid nitrogen and hydrogen respectively, based on which we explore the mechanism of cavitation with thermal effects. Comprehensive comparisons between the simulation results and experimental data as well as previous computations by other researchers validate the full cavitation model in cryogenic fluids. The sensitivity of cavity length to cavitation number is also examined. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 50706042)     

翼型绕流电磁力控制效率分析

电磁力可有效对流体流动进行控制,增升减阻,抑制流动分离,制约其推广应用的瓶颈为控制效率问题。为提高其控制效率,需要深入研究电磁与流场的相互作用及其能量传递过程。对电磁力增升减阻的控制效率问题进行了数值研究。根据能量守恒定律,推导电磁力控制能耗,基于升力和阻力计算节省能量。定义电磁力的控制效率为η=能量节省/电磁力控制所需能耗,研究电磁力控制过程,分析其能量损耗,为电磁力控制效率的提升提供理论基础。研究结果显示在控制开始阶段,电磁力控制能量的损耗主要体现流体动能损耗,其最高损耗率可达95%,其次体现在焦耳热上,最高可达28%;随着时间推移,流体动能损耗η2下降,电磁力控制效率η及焦耳热损耗η1增加,控制效率η在控制结束时增加到了33%。其机理为流动动能损耗与边界层速度的改变程度紧密相关,电磁力作用一段时间后,边界层速度剖面图再无明显变化,因此流体动能损耗下降,在控制开始阶段流体动能损耗为主,流体动能损耗为主其损耗的下降会提升电磁力的控制效率。     

绕三维扭曲水翼非定常空泡脱落特性的数值研究

为了进一步探究绕三维扭曲水翼空化流动结构的非定常演变特性,基于均质流模型,采用大涡模拟(LES)方法,并耦合Zwart空化模型对绕扭曲水翼(NACA0009)的非定常空化流动进行了数值计算。结果表明:与试验结果对比发现,该数值计算方法可以很好地捕捉到绕NACA0009水翼的非定常空泡形态的演变过程,且计算得到的水翼升力系数的时均值及其特征频率均与实验值吻合较好。非定常空泡的脱落过程分为主脱落和二次脱落两个阶段,主脱落过程表现为大尺度空泡团的断裂,呈U型结构卷起并脱落,此时水翼表面的附着空泡呈凹形结构。随着时间的推移,附着空泡的两侧发生小尺度空泡团的二次脱落,产生局部高压,抑制了当地空泡的生长速度,从而使附着空泡由凹形结构逐渐发展为凸形结构。     

危险流体输送装置RFD的空化性能

RFD（reversed flow diverter）是一种用于输送危险流体的免维修输送装置,由于在装置服役期内,人体无法近距离接触维修,因此必须避免运行中发生空化等威胁系统安全运行的工况。文中基于三维定常流控制方程,采用k-ε湍流模型及多相流空化模型对不同RFD结构参数和操作参数进行了仿真。计算工况首先考察了基于不同背压的RFD喷嘴直径和压冲压力对出水流量和水力效率的影响;其次,在最佳压冲压力范围内,考察了2种RFD直径比和3种背压下的初生空化发生时刻,认为相同条件下,RFD喷嘴直径比越小,背压越大的装     

三种空化模型下挤压油膜阻尼器空化流场特性对比

为准确预测挤压油膜阻尼器空化流场特性,基于ANSYS-Fluent软件建立非同心型挤压油膜阻尼器三维非定常空化流场求解模型.分别采用Zwart-Gerber-Belamri(Z-G-B)、Schnerr-Sauer(S-S)及Singhal三种空化模型计算得到挤压油膜阻尼器各测点的压力结果,并将其与实验数据进行对比,比较了三种空化模型下阻尼器内的油膜压力与气穴分布、流场中的气穴比以及油膜力特性.结果表明,三种空化模型中S-S模型的数值结果与试验数据最为吻合,适用于描述挤压油膜阻尼器空化流场特性,为挤压油膜阻尼器空化流场模拟提供了可靠的模型和方法.     

叶顶间隙对轴流泵外特性及空化性能影响研究

为探究叶顶间隙对轴流泵外特性及空化性能的影响,基于修正的SST k-ω湍流模型和Z-G-B空化模型,对350ZQ-70型潜水轴流泵进行数值模拟,对比分析不同叶顶间隙下轴流泵的外特性曲线、叶轮流道内的压力脉动、空泡体积分数分布等.结果表明:随着间隙的增大,泵扬程和效率降低;小流量工况下流动失稳现象明显加强,扬程曲线会出现驼峰现象;进口边近轮毂侧比近轮缘侧更易发生空化;设计流量下,轮缘间隙空化首先出现在叶片中部,而不是叶片进口;叶片背面空化会影响相邻叶片工作面压力分布;存在临界间隙值,未达该值前,间隙增大主要降低叶轮的做功能力,对空化性能影响不大,超过该值后,空化稳定性降低,诱导压力脉动;对于实验泵,临界值在1.5~2 mm;随着间隙的增大,轮缘处空化程度不断增强,进口边空化程度反而有所减轻;根据轴流泵叶轮组装结构,从保护轮毂叶轮体的角度考虑,兼顾做功能力和运行稳定性,实验泵选择间隙为1.5 mm较为合适.     

基于Kunz模型的离心泵空化流数值计算

将常用于水翼、螺旋桨等的空化模型应用于离心泵空化流数值计算,以比转速为94的离心泵为研究对象,在不同流量系数下,分别进行了空化性能的数值计算和试验研究.比较了计算和试验得到的空化性能曲线,发现各流量系数下模拟均能捕捉到较低空化数时扬程系数的下降,而且与试验结果较为一致.此外,还对设计工况下叶轮流道空泡和总压系数分布规律以及叶片压力系数分布规律进行了分析.对数值预测结果的分析表明：使用Kunz空化模型进行离心泵空化流数值计算能够较为真实地反映离心泵的空化性能.