可变空化器诱导超空泡形态特征的数值研究

基于变阻力空化器理论,该文提出一种可用于调节水下航行体侧向力(包括俯仰力和偏航力)的可变侧向力空化器控制方案,利用FLUENT的混合多相流模型对空化器三维空泡绕流现象进行数值研究,验证了该可变空化器控制超空泡形态与航行体侧向力的能力。计算结果显示,通过控制元件的径向运动,可变侧向力空化器能有效调节水下航行体的俯仰力、偏航力以及超空泡的外形尺寸。当控制元件任意一侧的凸出高度达到空化器直径的5%,非轴对称状态的空化器会产生相当于阻力30%的升力或侧向力,同时空泡截面内凹;来流攻角在0°–10°范围内变化时,可变侧向力空化器能够减缓超空泡轴线的偏移程度,同时空化器的升力系数随着攻角的增加会有一定程度下降。     

小空化数下超空泡航行体的阻力特性试验研究

为了研究小空化数下超空泡形态航行体的阻力特性,针对带圆盘空化器头部的航行体设计加工了4种不同结构参数的航行体试验模型.并在水靶道中进行了这些模型的水下航行试验,航行体空化数接近10-4,试验中测量出航行体发射点和某点的航行速度,计算出航行体的平均空化数.数据处理后得到了航行体的平均阻力系数,分析了空化器直径、航行体长细比、空化数对航行体阻力特性的影响;还在试验数据基础上,分析了小空化下航行体的自然超空泡减阻率.结果表明:在超空泡形态下,空化数接近10-4航行体的超空泡减阻率可达98%.这个研究结果为进一步研究小空化数下航行体的水动力特性和弹道特性提供了理论参考和试验数据.     

回转体空泡流特性研究

利用CFD商业软件F1uent 6．0中的基于Rayleigh-Plesset方程的单一介质可变密度混合模型进行了回转体空泡流特性研究。首先采用二维轴对称求解器进行了不同头体的空泡几何特性研究,及局部空泡阻力特性分析,探索了空泡减阻的机理。然后采用三维求解器进行了非零攻角空泡流及超空泡数值模拟。给出了较易产生空泡的头型,与实验结果符合得较好;得到了零攻角和非零攻角情况下的双空泡及超空泡形态。     

壅塞空化器空化噪声实验研究

为了避免水力机械产生空蚀破坏,目前对空化噪声的研究主要集中在空泡的初生问题,而为了有效利用空泡溃灭能量,研究空化时空泡溃灭强度的报道却较为少见。该文在不同背压下,利用水听器对不同壅塞管直径的壅塞空化器测试空化噪声信号,采用声压级差法和噪声能量比值法分析测试结果,探索壅塞管直径和背压对壅塞空化器空化特性的影响。结果表明:空化噪声信号的声压级差法和噪声能量比值法分析的结果基本一致,壅塞空化器在背压孔当量直径d=3.5―6.0 mm的背压范围内,都会产生明显的空化;不同壅塞管直径的壅塞空化器产生强烈空化都有相应的最佳背压范围,且随着壅塞管直径的增大,最佳背压范围会逐渐缩小;在最佳背压范围内,壅塞管直径和背压的变化对壅塞空化器产生的空化强度影响较小。研究成果完善了壅塞空化器设计的理论基础。     

绕轴对称体三维非定常空化流动的数值与实验研究

采用数值和实验相结合的方法研究了绕轴对称体三维非定常空化流动现象。实验中,采用高速摄像的技术和动态测力系统对绕半球型和平头型轴对称体的非定常空化流场及其动力特性进行了分析,观察了在不同空化数下,绕半球型和平头型轴对称体的空泡形态;测量了轴对称体受到的阻力,并对阻力信号进行了时频分析,得到了在非定常空化阶段,轴对称体动力特征频率。基于实验现象,发展了一种基于密度修正的分域空化流动的计算方法,并与实验结果进行了对比,结果表明:该方法可以较好的模拟绕轴对称体三维非定常空化流动现象。绕不同头型轴对称体的空化流场结构均存在明显的三维非定常流动特性,并且,空化流场形态与动力特征频率存在高度的相关性,不同头型轴对称体的非定常空化流场结构存在较大的差异,半球型轴对称体空泡流动的脉动主要是空泡尾部的高频小脱落引起的,而平头型轴对称体的空泡流脉动成分主要是大尺度的漩涡空泡团的周期性脱落。     

某二维水翼空化数值模型对比

以二维水翼计算模型为研究对象,采用数值模拟的方法,通过不同的空化模型和湍流模型对计算模型进行数值模拟研究,得到了翼型在空化过程中空泡的运动规律。结果表明:该翼型在不同空化模型下,发生空化时,空化过程包含了空泡的产生、发展、脱落和溃灭几个过程,空化的运动过程总具有明显的周期性;Schnerr-Sauer模型的计算结果与实际的水翼空化流动过程相吻合,Schnerr-Sauer空化模型可以很好地模拟绕水翼的空化流动过程。     

变速运动锥体超空泡形状分析与预测

研究了锥体空化器变速运动时非定常自然超空化流问题。基于势流理论,通过在对称轴上分布奇点(源和汇)的方法,建立了变速运动超空泡的积分方程。应用时间有限差分离散化方法,对问题进行了数值求解。分析了锥体空化器在做变速运动时(如速度脉冲变化、加速或减速等),超空泡长度和形状的非定常变化规律。同时,对基于本文方法得到的结果与已有理论的计算结果作了定性比较。本文的分析和预测结果可望为水下航行体空化器的分析与设计起到指导和数据参考作用。     

旋转圆盘内不同转速的空化特性研究

为了研究不同转速对旋转圆盘空化性能的影响,以卧式旋转圆盘试验装置为例,建立全流道几何模型,使用CFD数值模拟软件,模拟不同转速工况下的情况,对结果进行分析表明:随着转速的上升,在旋转圆盘空蚀源和试件之间的压力降低,同时低压面积增大,低压区越靠近空蚀源压力越低,其空化越严重;当转速为2 000 r/min时,旋转圆盘空蚀源外边缘开始出现空化,随着转速的上升,旋转圆盘上出现空泡的面积不断扩大,而且越靠近空蚀源边缘,空泡体积分数越大。定义了旋转圆盘空化系数并得到了旋转圆盘转速n与空化数σ关系曲线,随着转速的上升,空化数σ不断降低。     

不同空泡脱落模式下空化多尺度特性研究

云状空化是一种以相变为核心,包含多种尺度空泡生长演变行为的强瞬态多相流动现象。该文采用双向耦合欧拉-拉格朗日多尺度空化模型,模拟了空化数σ=1.2时,绕8°攻角三维NACA66水翼空化流动,通过VOF(volume of fluid)界面捕捉法求解欧拉体系下大尺度空穴演化,利用拉格朗日体系下的离散空泡模型(DBM)追踪亚网格尺度离散空泡运动及生长溃灭过程。结果表明：绕水翼云状空化流动,包含附着型片状空泡生长与发展、回射流产生与推进、云状空泡脱落和宏观片空泡再次生长以及压力波推进4个阶段。离散空泡数量及尺度随大尺度空穴周期性演变而变化,主要分布在强湍流脉动区。在各空化发展阶段,离散空泡集中分布在水翼中后部,微空泡直径概率密度函数均符合单峰Gamma分布,最高空泡数密度泡径为50μm。在湍动程度较小的附着型空穴生长阶段,微空泡数密度相对于空泡直径呈-5/3幂率特征;在湍动程度较大的回射流发展阶段、云状空穴脱落溃灭及压力波推进阶段,较小尺度的微空泡数密度相对于空泡直径呈-2/3幂率特征,较大尺度的微空泡数密度相对于空泡直径呈-6幂率特征。     

渐扩式泄洪洞出口水流模拟及空化 特性预测研究

为了获得泄洪洞出口段在高速水流情况下的水流特征,分析空化及其对结构可能存在的空蚀破坏影响,本文采用了VOF（Volume Of Fluid）方法,并结合Realizable k-ε紊流模型,对泄洪洞水流进行了三维数值计算。计算获得了压强、流速及水深的三维分布参数,并将部分计算结果与设计值验证,吻合较好。通过引入自定义函数方式计算了整个流场的空化数,获得了泄洪情况下泄洪洞高速水流空化数分布规律及易发生空化空蚀的区域。     

泄水建筑物掺气坎底空腔回水探讨

该文主要采用数值模拟的方法,对明流泄洪洞掺气坎底空腔回水问题进行了探讨.通过对连续坎及三维异型掺气坎(U型、V型和凸型掺气坎)后落水区形态,水舌三维流态以及落水区流场结构等水力特性进行分析发现:当水流经过掺气坎后,中间水流较为集中时,主流方向的能量较大,不利于水流在底部落水区域的充分扩散;水流出坎后横向扩散的方向对抑止空腔内回水壅堵较为敏感,掺气坎后水舌向两侧扩散的水流与边壁的相互作用容易产生回水.结合掺气坎后水流的细部结构得出,影响掺气坎后空腔回水的主要因素为:出坎水舌落水区的纵向分布范围与横向分布范围的关系以及水舌入水角度.     

不可压缩空腔流振荡模式和声学特性研究

不可压缩空腔流的振荡模式和声学特性研究近年来成为研究的热点,而空腔的长深比(L/H)是影响空腔流振荡模式和声学特性最重要的参数之一。该文在五类不同的长深比(L/H=4:1、2:1、1:1、1:2和1:4)下,来流分别为2 m/s和4 m/s时,对比分析了空腔流的振荡模式和流动特性。另外,使用大涡模拟(LES)声类比混合方法预测不同情况下空腔的声学特性,先用LES计算所得到的空腔非定常流场建立声源项,然后使用Ffowcs Williams-Hawkings(FW-H)声类比来预测远场噪声,比较不同长深比空腔的声学特性。计算结果表明,对L/H=4:1的空腔流动,振荡模式是尾流模式;而在L/H=2:1的情况下,振荡模式是剪切层模式;当L/H减小到一定程度时,将不会发生振荡。空腔的主要噪声源是空腔流激振荡,低频下声源声压级较大;空腔的总噪声级具有指向性。     

液柱分离型水锤新空腔模型

为深入探讨液柱分离型水锤的模拟计算,通过改进离散空腔模型,提出了新空腔模型。新空腔模型考虑空腔处非满流的流态,根据前后管段的水流状态,将计算管段划分为7种类型,分别建立计算模块对空腔处管段进行分类计算,使其更为准确地计算空腔处的流量同时模拟空腔处的瞬变过程,并基于简单管路和复杂管路试验对新空腔模型进行了初步验证。结果表明,与DVCM相比,新空腔模型能够更准确地模拟瞬变过程中的压力波动和空腔形态、位置及空腔体积的变化,对水柱弥合过程的压力波动峰值的模拟更接近实测数据,有助于指导实际工程中的水锤安全防护。     

NUMERICAL SIMULATION OF ARTIFICIAL VENTILATED CAVITY

1. INTRODUCTION The cavitation phenomenon[1,2] has already been paid high attention as a primary characteristic in the process of underwater body’s manufacture and exploitation. For a long time, the purpose of cavitation research is to prevent the occurr…     

泄槽反弧段掺气坎的空腔特性

空腔特性是影响掺气效果的重要因素之一,而空腔长度和空腔积水是反映掺气空腔特性的两个重要指标。通过二维数学模型建立和数值模拟计算,对反弧半径、掺气坎体型与反弧段水流特性及掺气空腔特性的影响关系进行研究。根据数值模拟结果可以看出,反弧半径的增大会引起空腔长度的增长而减短空腔积水长度;挑坎坡度越陡,空腔长度和空腔积水长度都会变得越长;空腔长度和空腔积水长度都与挑坎高度成正比关系。本结果可以为优化掺气设施提供科学依据。     

热源尺寸对矩形腔内自然对流的影响

本文采用有限容积法对不同尺寸热源在水平腔体内引起的自然对流问题进行了数值模拟,通过改变热源无因次长度ε和Rayleigh数的大小,分析了不同工况对矩形腔内流场结构和热源表面Nusselt数的影响,并对顶部冷却和侧壁冷却这两种不同边界条件的计算结果进行了比较。结果表明：^Nu数随着ε和Ra的增大而增大;侧壁冷却这类矩形腔其热源表面^-Nu数总体较大。     

串行排列的三栋建筑物间的风涡漩分布研究

本文利用计算流体力学（CFD）软件,针对串行排列的三栋建筑物的风环境,采用标准k-ε两方程湍流模型进行了数值模拟,研究分析了三种不同建筑物间的距离下的风涡漩分布特点,并定量分析了涡漩区中的风速和湍流强度,以及建筑物横截面的压力系数分布,为建筑小区的规划最优设计提供理论参考和依据。     

压力溶腔对岩溶隧道施工安全影响的数值分析

岩溶地区富水压力溶腔的存在威胁着隧道施工安全。为分析压力溶腔存在对隧道施工安全的影响,以溶腔位于隧道上方的不利工况为例建立了防突层的简化力学模型,并考虑水压力和侧压力的共同影响,采用结构力学方法和变分原理推导了防突层最小安全厚度,分析了防突层高跨比对最小安全厚度取值的影响。结合某岩溶隧道,推算出防突层安全厚度为7.29m,小于溶腔与隧道临空面的实际厚度,判定该隧道施工是安全的。运用有限差分软件FLAC3D建立数值分析模型,分析了压力溶腔存在对防突层竖向位移以及受力的影响,进而判定防突层稳定性。结果表明:当压力溶腔与隧道临空面实际岩层厚度大于防突层最小安全厚度时,不会威胁隧道施工安全,但溶腔存在时防突层竖向位移和竖向应力均有增大趋势,考虑施工扰动因素建议施工中应加强溶腔处位移监测,及时反馈信息,确保施工安全。研究结果可为岩溶隧道施工提供借鉴。     

黄河下游典型河段滩槽分界二维洪水数值模拟

采用平面二维水沙数学模型,在黄河下游河道现存生产堤条件下,针对典型洪水进行洪水模拟计算研究。通过对黄河下游典型河段的洪水数值模拟,分析研究该区域洪水演进、漫滩及河势变化状况、滩槽流速分布及单宽流量分布,给出滩槽分流比及滩区不同程度的淹没范围。这一研究对于明确滩槽范围、为滩区受洪水灾害补偿提供明确范围、为滩区发展创造良好环境及维持黄河健康生命具有非常重要的意义。     

掺气折流器对侧空腔和底空腔长度的影响

在突扩突跌掺气设施中，为保证掺气效果，增加底空腔的长度，加设折流器是有效的工程措施。试验证明，折流器坡度和高度对空腔长度均有影响，较高的折流器增加空腔长度明显，且使底空腔与侧空腔贯通，有利于底空腔充分掺气。回溯水流使底空腔变短，有效空腔长度是影响掺气效果的重要因素。在空腔长度的计算中应综合考虑，顶板坡角，跌坎挑角和折流器体型的影响，得出的计算公式有实际应用和理论意义。