自然空泡流數值模擬方法研究.pdf

1、自然空化是指一定條件下液體介質內部出現(xiàn)蒸汽泡或蒸汽穴的現(xiàn)象。通常高速流動是自然空化發(fā)生的因為,它導致液體介質中局部壓力低于液體的飽和蒸汽壓,液體汽化而形成空泡。
　　 空化對于水利設備的剝蝕、噪聲和高速運動物體的水動力特性及其穩(wěn)定性控制具有極為重要的影響。隨著各類水面和水下運載工具航速的大幅度提高,空化的發(fā)生不可避免?？张萘鲃犹匦约捌錂C理研究仍是目前水動力學研究的前沿課題之一。發(fā)展合理的空泡流模型和適用于復雜三維非定?？张萘鞯臄?/p>

2、值計算方法,不僅具有重要的理論意義,而且有著廣泛的工程應用價值。
　　 本文旨在探索更加合理的自然空泡流模型,發(fā)展高效、高精度的數值計算方法,研制具有自主知識產權的三維多相非定常自然空泡流的計算軟件,并用于工程實際空泡流動問題的分析。
　　 本文的主要研究內容和創(chuàng)新性成果如下:
　　 1、在自然空泡復雜流場的多相流數學模型方面進行了系統(tǒng)而深入的研究。引入了五種基于正壓關系、基于相分數輸運方程形式的均質平衡流空化模

3、型,并將五種線性與非線性的渦粘湍流模式與各空化模型相結合,發(fā)展了基于求解三維RANS方程系統(tǒng)的自然空泡湍流流動的數值模擬方法。在模型形式和算法實現(xiàn)上進行了改進,成功地模擬了空化數小于0.01條件下以及復雜非定常的自然空泡流問題。本文還提出了一種考慮來流介質可壓縮性的高速空泡流模型,模擬了高亞聲速來流條件下的自然空泡流問題。
　　 2、在適合于空泡流計算的數值算法方面開展了有特點的工作。針對空泡流問題的特殊性,在以無空泡單相流場作

4、為初始條件進行空泡流計算之前,重置低于飽和蒸汽壓區(qū)域的壓力,并在計算中對壓力范圍進行限制,以保證得到合理的泡內壓力分布。在壓力.速度.密度耦合修正方法中,本文采用人工抑制混合介質的壓縮性的方法,使得計算中空化區(qū)域內被重置的壓力快速擴散,空化模型持續(xù)保持足夠大的相變勢,從而能夠較快地生成合理的空泡形態(tài)。根據計算節(jié)點的相分數來設定節(jié)點上的可壓縮性參數,進而對不可壓縮的來流環(huán)境和可壓縮的空泡區(qū)域采用不同的修正量,從而最終得到合理的流場分布。本

5、文還研究了采用TVD的高階對流格式捕捉空泡面的方法。
　　 3、自行開發(fā)了適用于三維非定常自然空泡流的數值模擬軟件。該軟件采用有限體積法開發(fā),適用于分塊結構化網格劃分的任意復雜計算域。軟件采用基于壓力.速度.密度耦合修正算法的分離隱式求解器,求解的方程系統(tǒng)包括:RANS方程、壓力修正量方程、能量方程、湍流模式方程、空化模型方程等?？张萘饔嬎悴糠植捎昧吮疚母倪M和提出的空泡流模型,并結合了十余種線性、二階、三階的兩方程湍流模式。方程

6、對流項的離散格式采用帶延遲修正的一至二階迎風格式和多種帶TVD限制器的高階對流格式。通過驗證表明該軟件適用于較廣的空化數和雷諾數范圍的復雜自然空泡湍流流動。
　　 4、針對存在經典解析解和可靠試驗結果的典型問題進行了計算比對,驗證了本文數值模擬方法對自然空泡預報的準確性和對工況的廣泛適用性。對網格密度、差分格式、模型參數、雷諾數影響等數值計算的基本問題進行了分析,考察了其對計算結果的影響。在較廣的空化數范圍內,本文計算均得到了穩(wěn)

7、定光滑的空泡形態(tài),且空泡形狀、空泡尺度、壓力分布、阻力系數等與解析解和試驗數據吻合良好。
　　 基于所提出的可壓縮高速空泡流模型,模擬了高亞聲速來流條件下的自然空泡流問題。印證了亞聲速可壓縮勢流理論關于空化數固定時空泡長度和阻力系數隨馬赫數增加而增大的結論,說明了高速條件下考慮來流壓縮性影響的必要性。
　　 系統(tǒng)地比較和評價了不同空化模型和湍流模式的組合在計算穩(wěn)定性、網格依賴性、空泡形態(tài)、空泡尺度、泡內流動結構、水動力特

8、性等多方面的差別和優(yōu)劣,為進一步的空泡流數值模擬工作提供了有價值的參考。
　　 5、運用本文所建立的數值模擬方法,研究了文丘里管內空泡流、繞水翼空泡流與大攻角運行航行體空泡流等工程實際中的自然空泡流動現(xiàn)象與機理。
　　 對于文丘里管內空泡流,在不同的收縮.擴張角下分別計算得到了定?？张菪螒B(tài)和非穩(wěn)態(tài)空泡演化過程?？张菰诜欠€(wěn)態(tài)演化中呈現(xiàn)周期性的發(fā)展、斷裂、脫落、下瀉與潰滅,與實驗現(xiàn)象相符?？张蓍L度、脫落頻率、泡內速度及相分數

9、分布與試驗結果接近。入口壓力系數的振蕩頻率與空泡脫落頻率一致,表明空泡運動對流場結構產生規(guī)律性的影響。
　　 對于繞水翼的非定?？张萘?計算得到的空泡脫落與試驗觀察到的大塊云霧狀空泡發(fā)展過程一致,空泡脫落頻率與升阻系數的振蕩頻率一致,Strouhal數與理論和試驗結果相當接近。分析了空泡非穩(wěn)態(tài)流動結構、特征及其機理,發(fā)現(xiàn)空泡周期性脫落現(xiàn)象與回射流發(fā)展、流場逆壓梯度及渦結構演化之間存在緊密的聯(lián)系。比較了湍流和層流條件下的計算結果,