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.

射流控制水翼空化流动的多工况适应性研究

空化时常会使船舶推进器、泵、水轮机等水力机械部件产生噪声、振动和腐蚀,导致设备总体性能的大幅下降,甚至破坏,因此开展空化流动控制具有重要意义。借助高速全流场测试技术,获得NACA66(MOD)原始水翼及射流水翼表面的空化形态,研究射流控制参数对空化抑制的影响规律,分析主动射流在变工况下对空化流动控制的适应性。研究发现:在不同工况下,主动射流均可以取得明显的空化抑制效果,当射流流量及射流位置不同时,空化流动控制效果不同。在云空化阶段,射流水孔与水翼前缘距离与弦长比值为0.19(H1模型)可以收到较好的空化抑制效果,且始终优于H2模型;而在片空化阶段,射流水孔与水翼前缘距离与弦长比值为0.45(H2模型)空化抑制效果更优。不同的射流流量系数可以实现对空化流场的主动控制,且存在最佳射流流量系数,使空化抑制效果最优。在给定射流位置(H1模型)和射流流量(流量系数为0.0245)时,在空化不断发展过程中(0.83≤σ≤1.46),空化抑制效果较为稳定,与实验获得最佳空化抑制有效性参数的偏差均在0.06以内,H1模型表现出良好的工况适应性,可实现多工况下空化的流动控制。

主动射流抑制云空化及流致噪声的研究

云空化及其诱导噪声对螺旋桨、船下附体等海洋装备的水动力性能有不利的影响。针对NACA66水翼,提出了在吸力面上布设单排射流孔向流场中注入流体,以期改善流场。采用密度修正的k-ε湍流模型和ZGB空化模型对水翼的云空化非定常过程进行数值模拟,数值计算结果与试验观测吻合较好。研究结果表明:在相同的云空化条件下,主动射流有效地抑制了空化的发生、发展和脱落,并对水翼近场噪声的降低具有积极影响。与原始水翼相比,射流水翼云空化团的脱落频率降低了41.2%,在一个周期内的平均空泡体积减少了72.9%。采用主动射流后,低频段的噪声峰值得到大幅削弱,中、高频段的噪声普遍降低。监测点的总声压级平均降低了16.1 dB。这项研究对海洋装备领域抑制空化、降低流致噪声和改善水动力性能具有一定的参考意义。