非定常空化流动及其诱导振动特性研究综述

针对非定常空化流动及其诱导振动特性,从试验和数值计算等方面进行了总结。在空化流动的实验技术方面,详细评述了由单一测量到多场同步测量的发展,指出实现结构和空化流动的多场同步精细测量是试验技术的发展方向。对近年来发展的非定常空化数值模拟方法进行了总结,认为机器学习与计算流体动力学(CFD)的结合将是非定常空化流动和空化流激振动数值模拟方法发展的方向之一。通过对空化流激振动特性的试验与数值模拟研究结果的分析和总结,认为空化发展过程的强烈不稳定行为是影响结构动态振动响应特性的主要因素,通过X射线等技术深入分析空化区域内的回射流与冲击波演化特征,并结合精细化结构振动测试技术,将是今后进一步研究空化流动机理、理解非定常空化流激振动特性的重要关注点。

绕弹性水翼空化流激振动特性实验研究

弹性结构在空化载荷作用下易发生振动,从而威胁结构安全,研究绕弹性水翼的空化流激振动特性显得尤为重要。采用高速摄像、测力装置和激光多普勒同步测量系统,分别获取了不同空化阶段的空泡形态、水动力、结构变形及相应诱导的结构振动特性。研究结果表明,弹性水翼的水动力系数在无空化阶段几乎保持不变,随着空化产生,升力、阻力和扭转力矩系数都随着空化数减小呈现先增大后减小的趋势。水翼在云状空化阶段下振动最为剧烈,大尺度空泡的周期性脱落导致结构振动速度呈现周期性变化。初生空化、片状空化和云状空化阶段的振动速度、概率密度分布均服从高斯分布,其中云状空化阶段的高斯分布曲线均方根最大,这是由于云状空泡团的脱落和溃灭导致的速度波动较大。在云状空化阶段,较大空化数下呈现回射流非定常脱落机制,较小空化数下呈现激波非定常脱落机制。回射流机制下,空穴演化呈现附着空穴发展-回射流发展-云状空穴脱落和溃灭的非定常过程。激波机制下空穴演化具有附着空穴发展-回射流发展-云状空穴脱落和溃灭-残余空穴溃灭的非定常特征。不同脱落机制下结构振动特性存在显著差异,回射流机制呈现小幅、高频的振动特性。由于大尺度空泡团的溃灭激波及其引起的附着空泡的二次溃灭,导致结构振动加剧,激波机制呈现大幅、低频的振动特性。

基于涡量矩理论的绕振荡水翼涡动力学分析

文章采用标准k-ωSST湍流模型和动网格技术,实现了绕俯仰振荡NACA66水翼非定常流动结构与水动力特性的数值模拟,并基于有限域涡量矩理论定量表征了局部旋涡结构对水翼动力特性的影响.研究结果表明:在水翼升程阶段,当攻角较小时,层流向湍流的转捩点由水翼尾缘向前缘移动;在较大攻角时,顺时针尾缘涡-TEV在水翼吸力面上生成并向前缘发展,同时与吸力面上的顺时针前缘涡-LEV融合发展为附着在整个吸力面上的新前缘涡-LEV,新的-LEV与逆时针尾缘涡+TEV相互作用直至完全脱落,直接导致了水翼的动力失速,在回程阶段,绕振荡水翼的流场结构逐渐由湍流转变为层流.基于有限域涡量矩理论的定量分析发现,有限域内附着的-LEV和-TEV提供正升力,当-LEV发展覆盖整个吸力面时对升力的贡献最大,占总升力近50%,而+TEV提供负升力.同时发现,有限域内各旋涡内部的不同区域提供的升力有正有负;而逸出有限域的旋涡内部不同区域提供的升力方向均保持一致,其中顺时针涡提供正升力,而逆时针涡提供负升力.在失速阶段,域外旋涡整体对升力贡献较小且存在小幅波动,体现了流动的非定常性.

绕弹性水翼非定常空化流动模态分析

采用实验与数值模拟相结合的方法对弹性水翼在云状空化条件下的非定常流动特性和结构振动特性进行分析,采用高速摄像系统和激光多普勒测振系统分别获取水翼空化形态和结构振动特性。数值模拟采用考虑附加水动力效应的混合耦合算法。结果表明:空泡的非定常发展引起结构振动,回射流是导致云状空化断裂和脱落的主要因素。弹性水翼的振动主频与大尺度云状空泡脱落频率一致,其他频率与旋涡脱落频率和水翼的前三阶湿模态频率有关。采用POD方法获取流场主要含能结构,结果表明大尺度云状空化结构占据流场大部分能量。采用DMD方法精确捕捉到了流场的动力学模态特征及其对应频率,进一步验证了空化流激振动与旋涡脱落的关系。