三维小空化数空泡流数值方法

采用均质平衡流空泡模型,引入基于求解液体质量份数输运方程的空泡流模型,提出新的压力密度耦合的压缩性方法和控制气液两相转换的源项,求解汽水混合介质的RANS方程和带低雷诺数修正的k-ε模型,实现了小空化数(σ=0.2~0.01)下水下航行体的空泡流数值模拟.得到清晰的空泡形态特征与内部结构,以及空泡长度和最大直径随空化数的变化规律,给出航行体运动阻力系数与空化数之间的变化关系.将计算结果与解析结果及实验数据进行比较表明,该方法保证了极小空化数下自然空泡流计算的稳定性与收敛性,提高了空泡形态特性的预报精度.     

基于汽相/液相界面跟踪方法的弯管内空化流动的数值预测

采用发展的基于Reynolds-Averaged Navier-Stokes方程和液相/气相界面跟踪方法的单相空化模型和数值迭代算法,数值预测了二维弯管内空化卒泡的形状和相应的压力系数分布.将发展的二维空化模型和算法推广到i维空化流动的数值模拟,预测了三维非对称弯管内的三维空泡形状和流动特性.数值预测三维非对称弯管内空化流动时的卒泡位置和相应压力系数分布符合理论分析结论.研究结果证明了所发展的空化模型和算法能够应用于三维空化流动时的数值预测.     

圆锥边界附近激光空泡溃灭行为的研究

为了研究刚性圆锥边界锥角对激光空泡溃灭行为的影响,文章建立了虚拟平面边界模型, 同时采用阴影摄影术、光偏转法以及数值计算的手段对边界附近空泡溃灭过程进行了研究. 结果表明边界的锥角对空泡的形状、溃灭时间以及液体射流形成均有明显影响. 空泡形状偏离球形的程度和溃灭时间均随锥角的增大而增大,且增大锥角度可以促使射流的形成. 空泡溃灭时间的实验值同理论值具有较高的一致性,验证了虚拟平面边界假设及无量纲距离修正的有效性.     

水中自然超空泡机理及减阻效应的非平衡分子动力学研究

应用非平衡分子动力学方法,对水中超空泡流形成机理及减阻效应进行了模拟研究.计算得到了流体密度分布、局部空化数分布、阻力系数及含气百分比等流场细节数据,结果显示空化数判据在分子层面仍然成立,局部低空化数区域与超空泡形成区域在空间上分离;超空泡形成和稳定主要受物体运动速度影响;空化器构型对空泡内含气率有较大影响;从云雾空化状态过渡到超空泡,物体表面摩擦力可以减小50%—90%.与数值模拟结果的对比表明非平衡分子动力学模拟适用于研究微观超空泡机理,能够经济有效地探讨超高速流体运动的一些自然规律. 关键词： 非平衡分子动力学 超空泡 高速流体 摩擦系数     

航行体通气空泡发射方式对出水过程的影响

潜射航行体自然空化情况下, 穿越水/气界面时会受到空泡溃灭的冲击载荷, 对空泡进行主动通气是一种有效的降载方法, 文章针对通气空泡的物理过程建立了一套完整的数值算法, 采用标准k-ε两方程湍流模型, VOF多相流模型, Zwart-Gerber-Belamri空化模型, 结合UDF自定义函数与动网格动态层技术, 开展了通气空泡整个出水过程的数值模拟工作, 研究了通气量通气时序通气方式等方面对空泡形态出水载荷等方面的影响, 获得了对工程设计有参考价值的基本结论.      

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.     

喷孔长度和喷油体温度对乙醇柴油空化及近场喷雾的影响

利用高速摄像机和放大比例的单孔透明喷嘴搭建可视化试验台,研究喷孔长度和喷油体温度对喷孔内乙醇柴油空化流动特性和近场喷雾的影响,试验用喷嘴的孔径均为2 mm,孔长分别为4 mm、6 mm和8 mm,喷油体温度分别控制在303 K、333 K和363 K。试验发现,随着孔内燃油平均流速的增加,各喷孔的空化现象依次经历了无空化、空化初生、空化发展和超空化5个阶段,短喷孔内更易发生空化现象,且在相同的空化阶段短喷孔的孔内燃油平均流速小于长喷孔;此外在相同进出口压差下短喷孔对应的近场喷雾锥角要大于长喷孔喷雾锥角。喷油体温度也会影响喷孔内空化流动特性和近场喷雾形态,喷油体温度越高,空化现象越强烈,空化变化速率越大;当喷孔进出口压差相同时,喷油体温度在303 K、333 K和363 K所对应的近场喷雾锥角依次增大。最大近场喷雾锥角所需的喷射压力随喷油体温度的升高而减小。     

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.     

标模外形化学非平衡流场数值模拟

利用三维并行计算代码求解Navier-Stokes方程,数值模拟标模(ELECTRE)化学非平衡绕流,研究真实气体效应对标模气动热特性的影响,反应模型为Dunn和Kang的7组元7反应化学动力学模型.利用典型弹道点的飞行试验数据验证化学非平衡流计算程序的可靠性.在此基础上,研究不同壁面催化条件下攻角和高度变化对热流的影响.计算表明:真实气体效应主要发生在物面附近很薄的激波层内,并使激波脱体距离减小;完全催化壁驻点热流值高于非催化壁热流值;随着攻角增大,热流分布差异明显,而且攻角越大时,物面电子数密度越小;飞行高度越高,O₂和N₂离解程度越低,驻点热流越低.     

轴流式水力机械转轮中局限空化流动的面元奇点解法

轴流式水力机械转轮中局限空化流动的面元奇点解法刘四清，常近时（北京农业工程大学水利与建筑工程系北京１０００８３）关键词：空化，水力机械，转轮。ＳＯＬＵＴＩＯＮＴＯＰＡＲＴＩＡＬＣＡＶＩＴＡＴＩＯＮＦＬＯＷＩＮＩＭＰＥＬＬＥＲＯＦＡＸＩＡＬ－ＦＬＯＷＨ...     

Acoustic characteristics analysis of slender cavity system with arbitrary impedance end conditions

A modeling method for the dynamic characteristics analysis of a slender acoustical cavity with impedance end conditions is established. In order to satisfy the continuity requirement at impedance ends for the first order differential of sound pressure, field function is constructed as the standard Fourier series supplemented by boundary smoothed auxiliary polynomials. System characteristic equation is derived by solving the governing differential equation and impedance acoustic boundary of slend...     

考虑任意阻抗壁面条件管腔结构声场特性分析

针对任意阻抗壁面条件一维管腔声学系统建模,对系统动力学特性进行预报。为了满足阻抗边界条件对声压一阶导数连续性要求,管腔声压函数通过在标准傅里叶级数端点位置引入边界光滑辅助多项式进行构建。结合壁面阻抗声学边界和管腔声学Helmholtz控制微分方程得到强形式标准特征值问题,获得相应的声学模态信息。在数值仿真中,通过算例给出各种边界条件下管腔声学模态频率、声压振型、声压和质点振速频率响应曲线,与现有文献中相关结果进行对比,充分验证了本文求解方法的正确性和有效性,证明该方法可对任意阻抗壁面条件管腔系统声学特性进行准确预报。     

Parametric study of acoustically-driven microbubble cavitations in a sonochemical reactor

The bubble cavitation along a solid wall is investigated with a three-dimensional model based on the indirect boundary element method. Kinetic energy and Kelvin impulse are calculated in order to quantify the strength of cavitation. The influences of acoustic wave amplitude and frequency and liquid properties on the strength of cavitation are investigated. This study was carried out in order to better understand the relation between microscale processes and macroscale parameters in a sonochemical reactor used for impregnation of fabrics with nanoparticles.     

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.     

基于温敏漆技术的圆锥高超声速大攻角绕流背风面流动结构实验研究

高超声速流动中, 大攻角下圆锥背风面边界层会存在流动分离与再附、边界层转捩等多种流动现象, 进而对圆锥表面温度分布产生显著的影响。为了对这一复杂流动规律及其对表面温升分布的影响进行讨论, 研究基于温敏漆技术, 得到了在Mach数为6的低湍流度来流条件下, 攻角为10°的圆锥背风面温升分布结果。通过对不同位置、不同方位角处温升分布曲线的分析, 对大攻角下圆锥背风面边界层流动发展过程及不同发展阶段的流动特征进行了讨论。同时, 通过对来流总压的调节, 得到了不同Reynolds数下的圆锥背风面温升分布结果, 总结了Reynolds数对流动的影响规律。研究发现, 高超声速大攻角圆锥背风面边界层流动发展过程中会依次出现层流分离、定常横流涡影响、转捩以及湍流分离与再附等流动特征, 而在不同的Reynolds数下, 各个流动特征产生影响的范围不同, 随着Reynolds数的降低, 层流范围和定常横流涡影响范围均有所增加, 而从观察到横流影响到转捩开始发生的范围基本相同。      

Helmholtz水声换能器弹性壁液腔谐振频率研究

针对传统Helmholtz水声换能器设计中刚性壁假设的局限性,将Helmholtz腔体的弹性计入到液腔谐振频率计算中,实现低频弹性Helmholtz水声换能器液腔谐振频率精确设计.基于细长圆柱壳腔体的低频集中参数模型,导出了腔体弹性引入的附加声阻抗表达式,得到了弹性壁条件下Helmholtz水声换能器等效电路图,给出了考虑了末端修正的弹性壁Helmholtz共振腔液腔谐振频率计算公式.利用ANSYS软件建立了算例模型,仿真分析了不同材质、半径、长度时的Helmholtz共振腔液腔谐振频率.结果对比表明弹性理论值与仿真值符合得很好,相比起传统的刚性壁理论计算结果,本文的弹性壁理论得出的液腔谐振频率值有所降低,与真实情况更加接近.本文的结论可以为精确设计低频弹性Helmholtz水声换能器提供理论支持.     

Stability of slender axisymmetric ventilated cavities closing on cylindrical hulls

Analytical formulae were proposed to estimate the stability of slender axisymmetric ventilated cavities, which allow calculating the dependences of the critical cavitation number versus vapor cavitation number both for the disc and the slender cavitators. These formulae were applied to calculate the stability curves for different radii of the conical hulls located inside the cavity and different shapes of the cavitator, Froude numbers and directions of the ambient flow.