绕三维扭曲水翼云空化形成及演化的试验研究

水翼上云空化形成及演化的过程是一个极其复杂的非定常过程。文章利用高速摄影技术,以横截面为NACA16012的三维扭曲水翼为研究对象,在一定的攻角和空化数下,对云空化的产生和演化过程进行了试验观察。结果显示,云空化的产生与回射流有关,不同结构的回射流造成片空化脱落的机制不同。云空化具有复杂的三维结构,试验证实了云空化中旋涡结构的存在。分析表明,云空化的发展与U型涡结构的形成和演化密切相关。

绕三维扭曲水翼非定常空泡脱落特性的数值研究

为了进一步探究绕三维扭曲水翼空化流动结构的非定常演变特性,基于均质流模型,采用大涡模拟(LES)方法,并耦合Zwart空化模型对绕扭曲水翼(NACA0009)的非定常空化流动进行了数值计算。结果表明:与试验结果对比发现,该数值计算方法可以很好地捕捉到绕NACA0009水翼的非定常空泡形态的演变过程,且计算得到的水翼升力系数的时均值及其特征频率均与实验值吻合较好。非定常空泡的脱落过程分为主脱落和二次脱落两个阶段,主脱落过程表现为大尺度空泡团的断裂,呈U型结构卷起并脱落,此时水翼表面的附着空泡呈凹形结构。随着时间的推移,附着空泡的两侧发生小尺度空泡团的二次脱落,产生局部高压,抑制了当地空泡的生长速度,从而使附着空泡由凹形结构逐渐发展为凸形结构。

亚格子模型对三维扭曲水翼空化现象的影响

[目的]旨在探究三维扭曲水翼空化数值模拟中网格密度及亚格子模型的适应性问题。[方法]为此,使用大涡模拟(LES)方法和Schnerr-Sauer(S-S)空化模型对Delft Twist11N三维扭曲水翼的非定常空化流场进行数值模拟,重点研究3套不同密度的网格和WMLES,SL,WALE这3种亚格子模型对Delft Twist11N水翼空化演变过程、空化脱落频率及时均升阻力系数等的影响。[结果]结果表明:适当的网格加密形式既能够捕捉到较多的细小空泡脱落、马蹄形云空泡的初生与溃灭等非定常空化演变现象,又能够获得具有较高精度的空泡脱落频率、时均升阻力系数和时均压力分布。相较于WMLES和SL亚格子模型,WALE亚格子模型较好地捕捉到了片空泡及云空泡的演变,在预报空泡脱落频率、时均升阻力系数及压力系数方面精度较优。[结论]因此,推荐采用基于WALE亚格子模型的LES方法进行非定常云状空化的数值模拟。

三维扭曲水翼空化现象CFD模拟

为研究三维扭曲水翼在空化数σ=1.07时的空化现象,以CFD方法为手段,利用Fluent软件中的Schnerr and Sauer空化两相流模型和RNG k-ε湍流模型对Twist-N11扭曲水翼进行了模拟,得到了空泡形态及空泡周围流场细节.分析发现空泡的产生和大小与水翼各断面的攻角有关,攻角越大,产生空泡的可能性就越大.由于空泡的存在,水翼上表面的流线被抬高,并且在空泡后形成了回流漩涡区.这种现象一方面会增大水翼的阻力,另一方面漩涡的不稳定演化会进一步影响空泡的大小和形态,甚至可能导致空泡脱落.本研究可为扭曲水翼的非定常空化特性研究提供有力基础.

绕不同扭曲水翼的空穴发展及其水动力特性的数值研究

针对水力机械叶片表面的空化问题,开展了绕不同扭曲水翼的空化流动特性的数值研究。采用均质流模型并耦合大涡模拟方法(LES)和Zwart空化模型,计算了绕NACA0009和Clark-Y两种扭曲水翼在不同空化数下的空化流动。结果表明:绕不同翼型的空穴发展随着空化数变化呈现明显不同的特性。相比于NACA0009翼型,绕Clark-Y翼型的空穴尺度随着空化数的减小而增大的幅度更明显,对空化数更为敏感。绕NACA0009翼型的空穴可以将翼型导边完全覆盖,而Clark-Y翼型导边的两侧并没有被空穴覆盖。另外,绕NACA0009翼型的空穴更容易出现准周期性变化和形成U形涡结构的脱落空泡团。不同翼型的升力系数的变化规律也显著不同,Clark-Y翼型的时均升力系数均显著大于NACA0009翼型。随着空化数的减小,相比于Clark-Y翼型,NACA0009翼型的升力系数更容易出现准周期性变化。

扭曲水翼空化数值模拟与动态特性分析

空泡稳定性是螺旋桨设计者须经常考虑的问题。论文采用Schnerr-Sauer空化模型和大涡模拟的方法对Twist-11N扭曲水翼片空泡的动态行为进行数值模拟。在不同空化数和几何攻角的工况下,对比分析脱落频率、空泡体积和压力分布的变化,并用单极子声辐射公式估算噪声特性。计算结果表明,片空泡的发展过程中存在着一个表征其显著脱落行为的失稳空化数,在失稳前后辐射噪声有明显区别,这项研究将为优化空泡动态特征和控制空泡噪声提供技术依据。

三维水翼云空泡非定常特性数值分析及试验验证

采用Singhal空化模型和修改的κ-εRNG湍流模型,数值模拟了三维扭曲水翼非定常空泡流动及其云空泡的动态脱落,空泡形态、流场等定性结果与相应的试验结果进行了比较。预报的回射流和侧射流的流动特性,以及云空泡的动态脱落的主要特征与试验结果相一致。计算结果表明,对于外形为凸形的片状空泡,侧射流是片状空泡脱落的主要原因。