绕圆盘钝体空化绕流现象的试验与数值模拟

通过试验研究与计算流体力学(CFD)数值分析相结合的方式深入研究了在不同空化阶段,绕圆盘钝体的非定常空化流动现象。试验和计算中,保持雷诺数不变,通过改变环境压强获得了不同空化数。试验在高速空化水洞中完成,采用高速摄像技术观测了各个空化阶段绕圆盘钝体的空穴形态,数值计算采用了汽-液两相的均相流模型,湍流模型和空化模型均分别采用基于密度函数分域的闭合方式,数值计算结果与试验结果吻合较好。研究结果表明,在不同空化阶段,绕圆盘钝体非定常空化流场呈现不同的阶段性特征,空化流场结构与形态存在很大的差异,随着空化数的减小,空化流场经历了小尺度空泡团的脉动—不稳定团状空化—稳定超空化等阶段,在空化的发展过程中,存在强烈的汽、液相间的质量和动量交换。

圆盘绕流近尾迹实验研究

采用烟线和PIV实验研究Re=22400时直径与厚度比D/H=5圆盘近尾迹(x/D<5)流场结构。流向平面烟线显示表明圆盘尾迹有稳定的回流区和随机扭曲倾斜的三维涡旋结构。对烟线平面PIV测速数据统计平均,发现该回流区具有较好的对称性,且长度为2.1 D。对PIV数据进行POD重构,发现流向雷诺正应力和切应力峰值出现在回流区两侧剪切层,横向雷诺正应力峰值出现在回流区驻点附近,其正是烟线显示涡旋结构脱落区域。圆盘尾迹涡旋结构的产生和脱落源于剪切层的不稳定性及其与回流区的相互作用。圆盘尾迹前两个模态含能仅为10.9%和10.2%,表明湍流结构的随机性;前10个模态含能45.9%可较好描述流场的平均雷诺切应力。

圆盘近尾迹流场相关谱分析

对Re=22000时径厚比D/h=5圆盘近尾迹开展大涡模拟数值研究.通过对x/D=1,2和8处脉动速度进行快速傅里叶变换(fast Fourier transformation,FFT),发现3个特征频率:斯特劳哈尔数St2=0.123为自然脱落频率,与文献结果相符;较小频率St1=0.035,与回流区伸缩和剪切层附近涡旋脱落点的旋转相关;高频率St3=1.3～1.7则与剪切层湍流结构相关.通过分析截面r/D=2.8圆周上两点间流向速度相关系数、相干谱和相位谱,发现相关系数受涡旋脱落影响出现以30?或45?为周期的正负波动,表明轴面上涡旋脱落点具有随机性.

圆盘绕流近尾迹相干结构大涡模拟

对Re=22000圆盘近尾迹进行大涡模拟数值研究,通过对x/D=1,4处径向多点脉动速度进行快速傅里叶变换（FFT）,发现三个特征频率,其对应的Strouhal数分别为0.035、0.123和1.31.7。分析表明,St2=0.123为涡旋自然脱落频率,与文献结果相符;较小频率St1=0.035,可能与回流区伸缩和剪切层附近涡旋脱落点周向旋转共同作用相关;而高频率St3=1.31.7则与剪切层结构相关。最后对圆盘近尾迹流场作特征正交分解（POD）,根据16模态的分布,分析大尺度结构的可能存在形式。