不同湍流模型在水翼前缘空化流场数值计算中的应用研究

叶片前缘空化是水力机械最常见的空化类型之一,可导致水力机械效率和运行稳定性大大降低.为了精准预测前缘空化条件下的流场特性,文中以NACA0009水翼为对象,探讨了Reynolds-averaged Navier-Stokes equation(RANS)、Detached eddy simulation(DES)和Large eddy simulation(LES)三种湍流模型在空化流场计算中的应用.讨论了湍流模型对空化形态、近壁区速度分布的影响,结果表明:RANS湍流计算方法无法得到空泡形态的动态变化,DES湍流计算方法得到的空泡形态在一个流动周期内变化较小,且尾部存在空泡脱落现象,而LES湍流计算方法得到空泡瞬态特性增强,空化形态和位置随时间变化较大;在远离壁面的区域,RANS、DES和LES三种湍流模型预测速度均与实验值较为吻合,在近壁区LES方法吻合结果最好.

前缘空化对弹性水翼振动特性影响数值模拟

水力机械偏离设计工况运行时,前缘空化将显著改变流场,进而改变流场与叶片结构之间的流固耦合效应,导致叶片振动特性发生改变。该文以NACA0009弹性水翼为研究对象,采用基于剪应力输运(SST)k-ω湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri(ZGB)空化模型的三维Reynold平均数值模拟方法预测流场特性,利用分离式双向迭代的流固耦合方法计算空化条件下水翼的预设激振响应,获得了弹性水翼水中固有频率与附加阻尼比。通过实验数据验证了数值计算结果的可靠性。计算结果表明:随着空化数的降低,水翼前缘空化长度、厚度和边界层厚度均增大。随着空化区域长度的增加,水翼尾部脱落涡频率降低。空化系数变化对弯曲振动振型影响较小,但对扭转振动振型的影响较大。随着前缘空化区域的增大,弹性水翼弯曲模态与扭转模态的固有频率变化趋势一致,但附加阻尼比的变化依赖于振型。当弹性水翼在攻角2°、流速14 m/s的工况运行时,前缘空化出现后,弯曲振型下固有频率的最大增幅为2.25%,附加阻尼比减小9.00%,扭转振型下固有频率的最大增幅为20.12%,附加阻尼比增大165.70%。