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.      

PANS模型在空化湍流数值计算中的应用

采用一种基于标准k-ε模型改进的局部时均化模型（Partially-Averaged Navier-Stokes Model,PANS）,并应用于空化流动计算。控制不同的模型参数,分别对绕平头轴对称回转体和Clark-Y型水翼的空化流动进行模拟,并与实验结果进行对比。结果表明：PANS模型中未分解湍动能比率fk的取值对预测空化流动的数值计算精度有重要影响,改变fk的取值可实现对不同滤波尺度范围内的求解;随着fk值的减小PANS的预测精度逐步提高,能在相对较大范围内求解较小尺度的湍流运动过程中,预测到湍流运动中强烈的非定常特性;同时可以比较准确地预测空化流场结构和动力特性。     

质量传输模型在考虑热力学效应空化流动计算中的应用评价

通过二次开发技术，将Merkle、Kunz、Kubota、Singhal四种不同的质量传输模型和液氮物质属性随温度变化函数等引入了计算软件CFX。在考虑热力学效应的条件下，对绕翼型的液氮空化流动进行了数值计算，并与实验结果进行对比分析。结果表明：由于传输方程的物理机制不同，造成各模型的计算结果尤其是对热力学效应影响的描述存在明显的差别。Merkle模型计算得到的压力和温度分布与实验最为接近，质量传输过程能较好地反映温度场变化的影响，从而能较好地反映热力学效应对空化发展的影响；Singhal模型计算得到的结果与实验数据差距最大，其模拟得到的质量传输过程不能很好地反应温度流场的变化的影响。