水翼三维非稳态空化流动特性数值研究

为分析水翼绕流速度对非稳态空化现象的影响规律以及水翼空化过程演变机理,对NACA6408水翼空化过程进行了三维数值模拟计算,研究了不同绕流速度工况下水翼不同位置的压力、湍动能、速度等参数的变化规律,分析空化现象的周期性发展过程。结果表明:随着进口速度的不断提高,各截面上的平均湍动能以及速度的幅值增大,空化发生区域的压力、湍动能以及流场速度变化明显,空化形态具有周期性特征;在4°攻角下水流流经翼型压力面时流场相对稳定,水流流经翼型吸力面时流场相对紊乱;当绕流速度超过15 m/s时,在翼型中后段开始发生空化,其压力以及平均湍动能变化较为明显,同时在非流动方向上产生回射流现象,导致空化流动失稳。该研究对进一步认识水翼空化特性和发展水翼抗空化技术具有指导意义。

三维摆动水翼仿生推进水动力分析

为了观察三维摆动水翼运动时表面压力的分布以及对流场域的影响,以NACA翼型和展弦比为1.5的NACA0012翼型为算例,采用计算流体力学方法分析了摆动水翼的水动力特性。为了提高网格质量,计算域被分为包含摆动水翼的运动域、包含摆动水翼的尾流场域以及除此之外的静止域3部分,并采用不同的网格划分条件对其进行离散,离散方程采用k-ω湍流模型求解,静止域和流体域之间采用重叠网格方法实现模拟,并利用交界面技术实现数据传递。分析了不同斯特罗哈尔数(St)条件下摆动水翼所受的推力、升力和力矩,研究了流场中速度以及压力分布,通过数值结果分析尾涡产生的机理。

翼身融合水下滑翔机剖面水翼定常吸流主动流动控制数值研究

在翼身融合水下滑翔机表面上开孔并施加定常吸流可以改善滑翔机的水动力性能,为了探究定常吸流主动流动控制对翼身融合水下滑翔机剖面水翼升阻特性的影响规律和机理,基于计算流体力学(CFD)方法,采用SST k-ω湍流模型,选取NACA0015水翼并针对不同吸流偏角、不同吸流开口位置、不同吸流比等工况开展定常吸流主动流动控制研究。研究定常吸流对未失速、临界失速、过失速3种不同流动状态下二维水翼剖面升阻力系数的影响,并进一步以过失速流动为例分析其影响机理。数值研究结果表明:合理的定常吸流可以有效抑制水翼的流动分离状态,并改善水翼周围的流场分布,进而改善其升阻特性;定常吸流对NACA0015水翼的增升减阻效果在90°吸流偏角时最好,且关于90°吸流偏角对称;定常吸流的开口位置越靠近水翼前缘,其增升减阻的效果越好,越有利于水翼升阻特性的提升;吸流比越大,定常吸流对水翼升力系数和阻力系数的影响程度越大。

不同射流参数下水翼云空化流动控制研究

在水翼吸力面采用主动射流方法可以很好地控制绕水翼的空化流动,减弱空化的发生和发展。为此,基于主动控制方法,采用密度修正的SST kω湍流模型和Zwart Gerber Belamri空化模型,数值研究射流参数对于绕NACA66(MOD)水翼云空化的流动特性影响规律。根据正交设计方法,在来流雷诺数Re为5.07×105、攻角α为8°、空化数σ为0.83工况下,针对由不同射流参数组合而成的16组射流结构,评估了射流位置、射流角度和射流流量对绕水翼流场空化特性和水动力特性的影响,并获得最优射流特征参数。结果表明,射流位置对空化流动抑制影响最大,而射流角度对水动力学性能影响最大。采用最佳射流特征参数将使水翼空化流场中的时均无量纲空穴面积降低46.57%,时均升阻比提高5.59%。此时,顺来流方向的射流与向前缘发展的回射流碰撞并形成强烈的掺混,消耗了回射流的动量,从而阻碍了回射流继续向水翼前缘移动,极大地削弱了附着型空化的失稳脱落。

基于不同空化模型NACA66水翼三维空化特性数值研究

为了比较Zwart-Gerber-Belamri(ZGB)空化模型、Schnerr-Sauer(S-S)空化模型和改进后的Schnerr-Sauer(S-S)空化模型对水翼空化流动数值计算的影响,该文以攻角为6°的NACA66型三维水翼为研究对象,基于密度修正(DCM)的SST k-ω湍流模型,采用湍动能修正后的空化模型并对其非定常空化流场进行数值计算。获得了不同空化模型计算得到的翼型升阻力系数、吸力面空泡形态演变、速度场的分布规律以及翼型表面平均压力分布规律。结果表明,在非稳定空化状态下,ZGB和改进后的S-S均模拟出非定常空化的准周期性,而原始S-S预测非定常准周期性不明显。三种空化模型均捕捉到空化流场中的回射流结构,ZGB模型和改进后的S-S模型较原始S-S模型能捕捉到更强烈的云状空化,且空化向尾缘发展,随后向下游脱落,这与已有文献中的实验结果基本一致。

基于当地流动特征的Schnerr-Sauer空化模型改进研究

为消除空化模型中人为确定的经验参数对数值模拟结果的影响,引入当地流动特征对考虑非冷凝气体的Schnerr-Sauer空化模型进行修正.采用Mixture多相流模型及Realizable k-ε湍流模型,对二维NACA0009 MOD水翼的定常空化进行了数值模拟,空化数范围为0.75~0.90.将数值模拟结果与已有实验结果进行对比表明:对于考虑了非冷凝气体的Schnerr-Sauer空化模型,在引入当地流动特征修正前,非冷凝气体数密度n的取值对数值模拟结果影响较大,非冷凝气体直径dnuc的取值对模拟结果的影响较小;在引入剪切应变率修正后,空化模型中的参数n的取值对数值模拟的结果不再有显著影响.同时,该修正方法提高了考虑非冷凝气体的Schnerr-Sauer空化模型的准确性,准确地预测了空穴造成压力梯度突变的位置.

考虑当地流动特征的Zwart-Gerbera-Belamri空化模型改进及应用

为减小Zwart-Gerbera-Belamri空化模型中经验参数取值对数值模拟结果的影响,基于当地流动特征修正了Zwart-Gerbera-Belamri空化模型.联立Realizable k-ε湍流模型,分别采用修正前后的Zwart-Gerbera-Belamri空化模型对二维NACA0009 MOD水翼空化流场进行了数值模拟,空化数范围为0.75~0.90.并采用修正前后的Zwart-Gerbera-Belamri空化模型对二维Clark-Y水翼的初生空化、片状空化、云空化进行非定常数值模拟,空化数范围为3.00~0.55.将数值模拟结果与已有实验结果进行对比,结果表明:引入当地流动特征可以有效减小Zwart-Gerbera-Belamri空化模型中的气泡半径及气核体积分数的取值对数值模拟结果的影响,且修正后的空化模型能够捕捉不同空化数下绕Clark-Y翼型的时均升阻力系数的变化趋势.

一种湍流计算的非线性PANS模型

大多数雷诺平均湍流模型(RANS)基于线性和各向同性假设求解雷诺应力(Reynolds stress),因此对高压力梯度区、大曲率回流以及复杂的分离流动的预测误差较大.在近壁区较少网格的条件下,部分时均(PANS)方法被认为比大涡模拟(LES)获得结果更好.通过RNG k-ε湍流模型构造部分时均化模型,引入雷诺应力的非线性求解方法,提出了一种新的非线性PANS模型,并应用该非线性PANS模型分别对绕NACA0015水翼翼型流场和90°长方形截面弯管内流场进行了流动的数值模拟.结果表明:非线性PANS模型的数值结果与试验数据吻合较好,其在高压力梯度区的预测准确性高,并能准确预测流动分离诱发的三维非线性流动,证明了该方法捕捉高压力梯度、大曲率流动的有效性.该计算方法可以用来预测透平机械内部复杂的涡结构.

常见螺旋桨材料空蚀特性分析

为了掌握常见螺旋桨材料在不同空蚀阶段的体积损失规律及形貌变化特点,本文借助磁致伸缩超声振动空蚀仪对螺旋桨常用材料镍铝青铜、黄铜H62、铝合金6061-T6开展空蚀试验,记录质量、空蚀表面形貌变化。基于试验数据,分析不同空蚀阶段的规律特点,通过改变空化强度,观察空泡溃灭程度对空蚀不同阶段的影响。借助有限元数值技术方法反演空化冲击载荷,利用空化冲击载荷与空蚀深度的关系,初步预报NACA0015水翼表面空蚀深度分布。结果表明:不同空蚀阶段持续时间不仅仅取决于材料本身,还与空化强度有关;以黄铜H62为例,计算得到了NACA0015水翼吸力面的空蚀深度分布,最大空蚀深度为45μm。本研究为考虑材料性质影响的水翼空蚀深度数值预报提供了理论基础。

双曲孔结构抑制水翼泄漏涡及空化的数值研究

该文提出一种双曲孔结构(double-curved hole,DC hole)来抑制叶顶泄漏涡(TLV),双曲孔位于叶顶前缘10%-25%弦长处。考虑到泄漏流的旋转曲率效应,采用了曲率修正的SSTk-ω湍流模型。数值结果表明,双曲孔可以有效抑制涡流区域,最大涡流面积减小量为50.65%。双曲孔大大地改善了叶顶前缘TLV核心压力,抑制了涡旋低压区的发展,最大涡核压力提高了116%。三种优化方案的空泡体积分数等值面面积分别降低了54.6%、35.7%和13.4%。在双曲孔的作用下,产生了新生涡结构:弱化叶顶泄漏涡(WTLV)、新生次级叶顶泄漏涡(NSTLV)和孔分离涡(HSV)。

基于孔坑结构的水翼叶顶泄漏涡空化控制的试验研究

叶顶泄漏流常出现在轴流式水力机械中,其复杂多尺度涡结构易引起流动损失及空化空蚀,抑制泄漏流空化有利于提升水力机械的综合性能。该文提出一种孔坑(Hole-pit)结构,孔坑位于叶顶前缘前20%弦长位置,利用被动射流孔和球形凹坑共同抑制叶顶泄漏流中的多尺度涡结构空化。试验在闭式空化水洞中进行,采用高速摄影和像素采集方法对两种不同间隙尺寸下NACA0009水翼叶顶间隙泄漏流空化进行研究。研究发现,通孔出口间隙处会产生流体失速及流动分离,产生孔分离涡(HSV)。孔坑结构可以推迟分离涡空化的初生,抑制泄漏涡空化和分离涡空化,4mm间隙的孔坑水翼对间隙泄漏流空化削弱效果比2 mm的更好。空化面积变化呈现准周期性,孔坑结构能减小平均频率,降低水力机械运行中的脉动程度,增强其稳定性能。

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。