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.      

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.      

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。     

混合层绕流圆柱旋涡脱落的数值研究

对平面混合层绕流圆柱时的旋涡脱落和流动结构进行了数值研究。方法是用一空间、时间三阶精度的有限差分格式解二维不可压Navier-Stokes方程和连续性方程。计算时雷诺数Re取为1000,混合层速度比Ra从0到1,混合层动量厚度θ由0.2到2。     

空化、超空化流动的数值模拟方法研究

基于结构化网格,运用可压缩流N—S方程及k-ε湍流模型对流场进行求解,在低压区域引入一种基于混合密度函数的空化模型对轴对称体的空化、超空化流动进行了数值模拟．通过将半球圆柱的计算结果与实验数据和前人的计算结果进行对比,验证了所发展的数值方法的可靠性．最后,采用非定常的数值方法,研究了钝头体射弹的空化、超空化流动特性,并模拟了其超空泡的发展过程．     

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。     

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.     

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...     

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...     

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。     

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.      

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.      

电磁力控制翼型绕流分离的增升减阻效率研究

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,基于翼型绕流的电磁力控制,对电磁力增升减阻的控制效率问题进行数值研究. 根据能量守恒定律,推导电磁力控制能耗的比,基于升力和阻力计算节省能量. 定义电磁力的控制效率为能量节省与电磁力控制所需能耗的比值,研究不同工况下电磁力增升减阻的控制效率. 发现在控制开始阶段,电磁力能量主要消耗在增加边界层流体的动能上,电磁力控制效率非常低,但电磁力控制效率会随着电磁力工作时间的增长而增加;电磁力控制效率随着来流速度的增加呈指数下降;通过增加电磁力激活板的输入能量可增强电磁力的控制效果,但无法明显增加其控制效率.      

回转体局部空泡绕流的非线性分析

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了分析和讨论,并提出了求解回转体局部空泡绕流“正问题”的方法。计算结果表明：所给出的方法具有快速收敛的特征,第1次迭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σ趋于稳定;通过比较可知,该方法得到的理论估算值与实测值的一致性较好。     

通气空泡尾部气泡流仿真和特性分析

基于欧拉-欧拉双流体模型对通气空泡尾部气泡流进行数值仿真, 并采用基于多尺寸分组模型的总体平衡方法预估气泡尺寸分布. 应用改进后湍流耗散系数计算模型, 考虑了气泡体积含量对在湍流作用下气泡扩散现象的影响. 基于上述模型对两种试验工况下流场进行了数值仿真.结果表明模型对空泡尾部回流区特性进行了准确预示, 在回流区高湍流度作用下气泡迅速破碎成小气泡. 并进一步得到试验体尾流区空泡体积分数和速度分布. 尾流区水流速度分布保持了流体经过非流线型对称体时产生的尾流分布规律. 仿真结果与试验数据相一致, 模型适用性得到验证.      

钨珠对铝、钢靶侵彻的数值研究与分析

本文应用MEPH程序数值模拟了击靶速度小于3km/s的4mm的钨珠对铝靶、钢靶的侵彻,并对计算所得的结果进行了理论分析,与有关实验比较。对弹丸的形状、靶材厚度对穿深的影响也给出了一部分结果。     

等离子体氯化氧化法太白反应器流场的数值模拟

本文提出了等离子体氯化氧化法钛白反应器流程的物理化学流体动力学模型,用k-ε方程描述湍流运动,用Partankar-spalaing发展的SIMPLER方法对控制方程求解,就三种情况即a)有化学反应,壁面绝热,b)有化学反应,壁面温度T_w=450k,c)无化学反应,壁面绝热,给出了反应器中的速度场,温度场和浓度分布,对钛白生产的物理化学过程作了数值模拟,所得结果可作为有关工程设计的理论依据。