基于Omega涡识别理论的自适应空化流动模型

液体火箭发动机涡轮泵内存在多种空化类型,其发生机理有所不同,现有数值计算方法通常采用同一套模型预测所有类型空化,导致预测精度不足。为提高复杂空化流动的计算精度,提出了自适应空化流动模型。基于先进的Omega涡识别理论和ZGB空化模型建立了相变系数自适应调整方法,以涡轮泵内两种典型空化(附着空化和泄漏涡空化)为对象,利用翼型实验对模型进行了验证。首先对比了几种涡识别方法的差异,发现Omega方法对阈值不敏感且物理意义明确,适合作为相变系数的取值依据;分析了相变系数对附着空化和泄漏涡空化的影响规律及两种典型空化的形成机理。结果表明:自适应模型相比ZGB模型,对泄漏涡空化的预测精度在大间隙下提升了约181%,小间隙提升了约27%,对附着空化的预测更接近实验结果;附着空化是吸力面脱落涡形成的原因,间隙泄漏流场的涡带和剪切层空化是由间隙泄漏涡和分离涡共同作用形成的。

湍流模型对风琴管喷嘴空化射流数值模拟的影响分析

针对不同湍流模型对空化射流流场数值模拟影响问题,基于ZGB(Zwart-Gerber-Belamri)空化模型和WALE(wavelet analysis of Lagrangian errors)亚格子模型,采用大涡模拟(large eddy simulation,LES)和RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes)模型对风琴管喷嘴空化射流流场进行数值模拟研究,分析内外流场的压力分布、速度分布以及空化云演变规律,并将空化云演变规律与实验结果进行对比分析。结果表明,LES模型速度、压力分布更符合实际情况,空化云演变规律与高速摄像拍摄结果基本吻合,LES模型可以更准确地模拟风琴管喷嘴空化射流流场,对风琴管喷嘴结构优化、打击力度与目标靶距的预测更准确。

高海拔下ZGB空化模型的修正及其对水翼空化的影响

空化模型在流体机械的研究和设计中必不可少,但目前缺乏对适用于高海拔工况的空化数值模型的研究。首先基于Zwart-Gerbera-Belamri空化模型,分析和推导了气泡初始半径、气核体积分数等模型中关键参数关于海拔高度的关系式,使模型适用于高海拔环境。然后将数值计算结果与相应实验数据进行了对比,验证了模型的适用性。最后针对NACA0009水翼,在0~5 km海拔高度下,使用修正后的空化模型进行了数值计算。结果表明:相同工况设置下,随着海拔高度的增加,环境气压降低、气核体积分数降低、气泡初始半径增加、压力面最大压力系数基本不变、吸力面最小压力系数略微增加、空穴长度显著增加,当海拔为5 km时,空穴长度增加到约弦长的81%,空穴长度增长率随海拔高度的增加而增加,在4 km处达到峰值0.17后开始降低。

基于空化效应的带排转矩模型优化及试验测试

某重型车辆混合动力传动系统湿式制动器在非制动作业时,由于油液的黏滞作用,摩擦副产生了带排转矩,造成功率损失。为能实现含有复杂沟槽结构流场的带排转矩精准预测,针对空气提前进入流场造成预测误差的问题,提出了一种通过空化数预测空化效应体积分数来优化带排转矩模型的方法。首先,通过不同工况下的模型计算,分析了转速、流量和间隙对空化效应体积分数的影响:随着转速提升,空化效应体积分数先增大后减小;更大的流量和更小的间隙都会使空化效应体积分数的最大值增大。接着,对湿式制动器带排转矩进行了试验测试,对比分析结果显示,优化后模型的预测误差小于6%,相比未考虑空化效应的模型,平均误差减小了55%。此外,还研究了空化效应后沟槽的复杂程度对带排转矩的影响。结果表明,沟槽结构越复杂,带排转矩越小。其中,径向槽的加入对带排转矩的影响最大,可使带排转矩减小约25.9%。研究可为湿式制动器的带排转矩精准预测和摩擦片结构优化提供支持和工程实践指导。

文丘里喷嘴空化流大涡模拟亚格子模型对比研究

针对文丘里喷嘴不同机制下可压缩空化流开展了大涡模拟(LES)研究,并对比讨论了3种常用的亚格子模型的适用性。结果显示,各模型在预测回射流机制和凝结激波机制的流速与空化云脱落周期上表现良好。在空化云演化过程中,WALE模型在两种机制下的模拟吻合度最佳,SL模型预测溃灭过程提前,蒸汽相体积分数偏小;KET模型吻合度最差,溃灭过程以及周期内脱落存在时间延迟。初步发现回射流机制下的喉部压力功率谱密度分析服从-5/3标度律,凝结激波机制服从-7/3标度律。

基于欧拉-拉格朗日方法的空化模型改进与应用

针对现有空化模型经验参数较多影响预测精度的问题,提出改进的空化模型。采用欧拉-拉格朗日方法模拟不凝性气体与空化气泡的融合过程,得到气泡数密度与液体体积分数的关系。结合气泡在液体中的力平衡状态和气体状态方程,得到气泡半径的表达式。基于简化的Rayleigh-Plesset方程建立空化模型,将不凝性气体摩尔浓度确定为唯一需要指定的参数。最后,将改进模型和ZGB模型应用于节流孔板和文丘里管,并与文献中的实验结果进行对比。结果表明:改进的空化模型能准确地预测空化流,并且对于非定常空化流,可以捕捉到空化初生、发展、分离、脱落和溃灭的周期性过程。

改进多松弛伪势模型模拟附壁空化泡溃灭演化和壁面润湿性机制的研究

结合改进后的多松弛伪势模型,使用格子Boltzmann方法对附壁空化泡溃灭演化过程进行了数值模拟及分析,着重研究了壁面润湿性对附壁空化泡溃灭的影响规律.首先,对改进后的多松弛伪势模型开展了热力学一致性验证,通过对比气液共存密度的数值解与解析解,选取了满足热力学一致性需求的参数,使得模型能够实现大密度比多相流动的数值计算;然后,对不同壁面润湿性条件下的附壁空化泡平衡接触角进行了数值模拟,分析了壁面润湿性与附壁空化泡平衡接触角的关系,分析表明:随着壁面与流体相互作用强度的增大,平衡接触角逐渐增大,壁面润湿能力逐渐减弱.进一步,对附壁空化泡的溃灭问题进行建模,处理了相应的边界格式,完成了附壁空化泡溃灭过程的数值计算,并分析了不同壁面润湿能力对附壁空化泡溃灭的影响规律;当初始空化泡内外压差及形态相同时,增强壁面疏水性缩短了空化泡溃灭的时间.特别是,壁面润湿性由亲水逐渐变为疏水时,最大溃灭压力先降低后又逐渐升高,而最大溃灭速度随着壁面疏水性的增强而持续升高.研究结果揭示了壁面润湿性对附壁空化泡溃灭的影响规律,为进一步抑制附壁空化泡溃灭的破坏效应及利用空化泡溃灭效应实现工程应用提供了理论指导.

模型水轮机空化现象智能识别方法

为了更加准确地判断模型水轮机是否发生空化现象,提出了一种基于图像识别的模型水轮机多态图像智能识别方法。该方法通过机器预处理及二值化处理对目标水轮机转轮图像进行特征提取,并构造目标特征矩阵;将该目标特征矩阵与经专家库得到的修正系数或修正区间相乘后输入到空化识别模型中,并与模型中存储的模板图像的修正特征矩阵进行比对,实现模型水轮机的空化识别。工程应用结果表明:该方法的识别准确率约为80%,存在少许“错杀”现象,但可以满足使用要求;相较于现有方法,该方法不仅能提高水轮机空化识别的速度,还能提高识别质量,实现水轮机空化检测的智能化、数字化、简单化。

混流泵叶片优化及基于状态方程模型的空化研究

在保证效率和扬程的前提下,为了最大限度地提高混流泵空化性能,利用基于正压流体状态方程的空化模型,开展了混流泵空化性能研究.发现原来采用速度系数法设计的5叶片混流泵叶片结构并不合理,泵叶轮设计工况下的临界空化余量较高.针对这一问题,增加混流泵的叶片数目为7片,并以效率和扬程作为目标函数,对7叶片混流泵叶片进口边形状、叶片前缘厚度以及叶片厚度变化规律进行了优化设计.混流泵优化前后3种不同叶片结构方案的空化性能对比分析结果表明:混流泵叶片进口边适当向进口方向延伸,叶片进口边前缘减薄,以及改变叶片厚度的变化规律,将使混流泵的临界空化余量大大降低.优化设计后的混流泵效率为90.857%,扬程为163.86m,优化后的临界空化余量为28.64m,相比优化前降低了45%,有效地改善了混流泵在设计工况下的空化性能,为今后该类高温高压混流泵的设计和优化提供了方向.

空化模型在非定常空化流动计算的应用评价与分析

文章基于试验观测数据评价了Kubota与Singhal两种空化模型在非定常云状空化流动数值模拟中的应用。采用商业软件的二次开发技术将两种空化模型引入了计算软件,针对绕Clark-Y水翼的云状空化流动进行数值计算,并与水洞试验结果进行了对比。结果表明,两种空化模型计算的云状空化阶段的流场时均速度分布以及涡量分布具有明显的不同。采用Singhal空化模型可以得到和试验观测更加相近的空化旋涡区与空泡云的旋涡分离的脱落形式。

改进空化模型和修正湍流模型在螺旋桨空化模拟中的评估分析

为评估改进Sauer空化模型和修正切应力输运湍流模型联合使用时在螺旋桨空化模拟中的效果,以及'当σ>σi时,叶梢截面压力系数分布相对不再改变'的空化初生判定准则的适用性,以E779A螺旋桨为对象,对轻度(Ac/A0<0.1)、中度(0.1≤Ac/A0<0.25)和重度(0.25≤Ac/A0<0.5)空化程度下的桨叶空化形态、空化面积、叶截面压力系数分布、推力和力矩崩溃性能曲线以及初生空化数进行校验和分析。结果表明,在轻度空化下模拟空化面积较试验值略小;中度空化下与试验值吻合很好,模拟精度明显高于同类文献;在重度空化下因包含了泡空化面积而较试验值要大。在设计和非设计进速系数下,预报因空化引起的推力下降起始点均与试验值吻合很好,但推力衰减指数较试验值要大。应用空化初生判定准则得到J=0.77工况下初生空化数为3.25,较试验值仅偏差0.6%。由此表明,所采用的数值模型对于螺旋桨轻度和中度空化程度下的空化性能模拟具有较高的精度,所提出的空化初生判定准则是可信而且适用的。应用该准则,在求取0.88R(低侧斜桨)或0.7R(大侧斜桨)截面的初生空化数后,可较准确地预报螺旋桨空化斗图谱,进而预报舰艇空化初始航速。

云状空化流动数值模拟的空化模型评价

为深入了解空化模型对云状空化流动计算的影响,分别采用Kubota,Singhal,Merkle,Kunz四种不同的空化模型对绕水翼的云状空化流动进行了数值模拟,获得了空穴形态和升、阻力等流场动力随时间的变化特性.通过与实验结果的对比表明,这四种空化模型均可以准确地捕捉云状空化区域的空穴形态和空泡脱落的非定常细节;不同空化模型对计算所得的空穴形态和长度、绕翼型速度矢量场、升阻力均有影响,但对流场动力特性的主要频谱分布影响不大.

修正的RNG κ-ε模型在云状空化流动计算中的应用评价

基于实验结果评价了一种用密度函数修正的RNGκ-ε湍流模型在云状空化流动计算中的应用.采用不同的修正系数,分别计算了绕Clark-y型水翼云状空化流动,获得了随时间变化的空化形态和升、阻力等流场及动力特性.通过与实验结果的对比表明,修正后的模型可以更准确地捕捉云状空化区域的空穴形态和空泡脱落的非定常细节;密度函数中指数n的选取对计算所得的空穴长度和升阻力均有影响,然而对流场动力特性的主要频谱分布影响不明显.

两种空化模型计算二维水翼空化流动研究

采用混合多相流模型和空化模型对攻角为6.5°的NACA66型二维水翼的空化流动进行数值研究.使用Singhal全空化模型(FCM)和Zwart-Gerber-Belamri(Z-G-B)空化模型,以实验数据为基准,对这两种空化模型得到的翼型表面压力分布系数和升、阻力系数以及流场结构进行了比较和分析,结果表明:FCM中,不凝结气体质量分数对计算结果影响较大,空化区长度随着不凝结气体质量分数的减小而变小;Z-G-B空化模型中,蒸发系数和凝结系数对结果有较大影响.总体说来,通过选取合理的经验系数,两种空化模型都给出了令人满意的空化流动结果.

改进Schnerr-Sauer模型在水翼空化模拟中的评估分析

为了提高Schnerr-Sauer模型模拟空化流动的能力,基于Rayleigh-Plesset方程和均相流假设建立了一种修正的Schnerr-Sauer空化模型,修正后的模型考虑了湍动能引起的脉动压力和不可凝结气体的影响。联立涡粘度系数修正的SST k-ω湍流模型,对绕二维Clark-Y翼型空化流进行了非定常数值计算,得到了时均化升阻力系数随空化数的变化曲线、云状空化时空泡周期性演变及其水平速度分布规律。通过与已有文献的实验结果对比分析得到,采用修正后的空化模型计算得到的时均化升阻力系数与实验值更为接近,并能较准确地捕捉升阻力系数随空化数的特殊变化规律;修正后的Schnerr-Sauer模型能准确地模拟翼型表面空化云的初生、成长、脱落和溃灭的全过程。本文的研究结果验证了修正后的Schnerr-Sauer模型在水翼空化流数值计算中的可靠性和准确性。

非定常粘性空化流动模型及其数值计算

基于气液两相当地均相介质模型,本文给出了一种模拟非定常粘性空化流动的计算模型。认为空化绕流流场中流动介质是一种当地均匀的气液混相物。控制方程采用了应用两相流模型的N-S方程。基于液相和气相的状态方程推导了混合介质密度的表达式。为了保证数值计算的稳定性,控制方程的数值求解采用了TVD-MacCormack格式。为了评价计算模型的可靠性,分别计算了绕台阶和管道水锤的空化流动,所得结果是合理的,说明该方法可以用于空化流动的数值计算。

FBM湍流模型在非定常通气超空化流动计算中的评价与应用

为了建立通气超空化流动计算的流动模型,应用二次开发技术将FBM湍流模型嵌入商业软件,分别采用FBM湍流模型以及商业软件中的标准k-ε湍流模型模拟了绕圆盘空化器的通气空化流场,并从空泡形态、流动结构和阻力特性等方面与试验结果进行了对比。结果表明,标准k-ε湍流模型过高预测了流场的湍流粘性,预测的空泡形态和实验观测结果有较大的差距;采用滤波器湍流模型计算,可以明显地减小通气空泡尾端流场的湍流黏性,精确地捕捉通气空化区域空泡脱落的非定常细节,更加准确地描述通气空化的过程,与试验结果更加接近。

FBM湍流模型在云状空化流动数值计算中的应用与评价

为评价一种基于滤波函数湍流模型在非定常空化流动计算中的应用,分别采用基于标准RNGk-ε的滤波器模型(Filter based model,FBM)、修正RNGk-ε模型、基于修正RNGk-ε的FBM模型对绕Clark-y翼型云状空化流动进行模拟,研究云状空化流动现象,获得了随时间变化的空化形态、压力场和升、阻力等流场和动力特性。通过与试验结果的对比发现,不同湍流模型的选取对计算所得的空穴长度、压力场和升阻力均有影响,而对流场动力特性的主要频谱分布影响不明显。采用基于修正RNGk-ε的FBM模型可更准确的模拟出云状空化形态与空化区尾部涡团交替脱落的非定常细节。

用两相流模型模拟混流式水轮机内空化流动

本文采用两相流中两流体模型模拟混流式水轮机转轮内三维湍流空化流场 ,基于两相流中两流体模型的理论和方程 ,推导了水轮机转轮中空化两相流的两流体基本方程 ,并利用k -ε -kp 两相湍流模型计算水轮机转轮中三维空化两相湍流。计算结果包括了液相和空泡相的主要流动特征 ,模拟结果可初步预测流体机械空化性能 。

RNGk-ε模型在超空化流动计算中的应用评价

为深入了解两相共存超空化的非定常特性,分别采用标准RNGk-ε模型及其修正模型,计算了绕水翼的超空化流动,并通过与实验结果的对比对各个模型进行了评价。计算结果表明:标准RNGk-ε模型及其修正模型均可以模拟绕水翼的超空化流动状况,能比较准确地模拟两相共存超空化阶段汽相和水汽混合相界面的反向波动过程;模型常数的不同主要表现为对空穴内逆压梯度的影响,并由此导致了计算获得的最大空穴长度以及两相界面反向波动速度的差异;超空化区域内水汽两相的变化与压强分布均存在对应关系,压强的变化导致了水汽两相界面的反向波动。