翼型空泡周期性流动的数值模拟及机理分析

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1、翼型空泡周期性流动的数值模拟及机理分析第28卷第1期应用力学学报Vol.28No.12011年2月CHINESEJOURNALOFAPPLIEDMECHANICSFeb.2011文章编号：1000-4939(2011)01-0001-06陈瑛鲁传敬郭建红(上海交通大学200240上海)摘要：采用基于正压关系的均质平衡流空化模型和低雷诺数修正的k?ε湍流模式，自行开发了空泡流数值模拟方法和计算软件，对绕翼型空泡的周期性流动现象进行了数值模拟。计算结果与实验数据的对比表明，空泡的宏观特征、流动特性、周期性脱落的斯坦顿数St等与试验结果接近，验证了计算结果的可靠性。空泡在大约一个周期的2

2、/3时间段内成长，并在大约1/3周期时刻发生断裂脱落。这两个特征时间与高速摄像实验结果一致。所取工况对应的组合参数σ2α=2.865，以翼弦长计算可得St=0.217，与文献的最新试验结果吻合。空泡周期性运动过程中升阻系数也周期性振荡，时均值l=0.41，d=0.097，振荡频率与空泡脱落频率一致。对空泡运动过程中流场结构的变化进行了分析，结果表明在大攻角条件下，空泡闭合区后的逆压梯度导致涡的形成及回射流的发展，沿壁面逆向流动的混合介质射流是引起空泡断裂的原因，回射流发展、涡结构变化与空泡非稳态演———————————————————————————————————————————

3、————化过程存在密切的联系，探讨了翼型空泡发生周期性脱落的一些机理。关键词：翼型空泡；数值模拟；周期性流动；脱落频率；脱落机理中图分类号：O359.1文献标识码：A献[1]测量了云雾状空泡的非定常结构，确定了云雾空泡中心是包含有许多小的球形蒸汽泡的集1引言中涡。文献[2-3]应用高速摄影技术研究了云雾状空化是指一定条件下液体介质内部出现蒸空泡的机制，表明回射流是空泡脱落的原因，并测量了水翼空泡周期性脱落的空泡尺度和脱落频汽泡或蒸汽穴的现象，通常液体在局部压力低于饱和蒸汽压时会发生汽化而形成空泡。空化对于率。文献[4]通过高速摄像对收缩-扩张管中的非定常空泡脱落进行了观察，表明脱落

4、过程中伴随水利设备的剥蚀、噪声、振动以及高速运动物体有大尺度云雾空泡的下泻。的水动力特性及稳定性控制等都具有重要的影响，空泡流动特性及其机理研究仍是目前水动力随着近代数值方法和计算机技术的发展，学研究的前沿课题之一。通过数值模拟方法研究空泡流动现象成为强有力大量实验观测到了空泡的非定常现象。文的手段。文献[5]在气泡动力学的Rayleigh-基金项目:国家自然科学基金重点项目(10832007)；———————————————————————————————————————————————上海市重点学科建设项目(B206)来稿日期：2010-07-07修回日期：2010-12-17

5、第一作者简介:陈瑛,男,1979年生,博士,上海交通大学工程力学系,助理研究员;研究方向——空泡流数值模拟。通讯作者:鲁传敬，上海交通大学海洋工程国家重点实验室。E-mail:cjlu@sjtu.edu.cn应用力学学报第28卷2Plesset方程基础上建立了混合介质密度与空隙率之间的关系，提出了气泡两相流(BTF)空泡模型，模拟了绕二维翼的涡空泡流，但该模型只能模拟云雾状空泡而不适用于片空泡和超空泡。文献[6]建立了基于状态方程的均质平衡流空化模型(HEM)，该模型较适合于模拟空泡的非定常流动。文献[7-8]分别提出了基于求解蒸汽相或液相体积分数方程的输运方程型空化模型(TEM)

6、，这类模型较适合于模拟定常形态的空泡。文献[9]运用气泡动力学方程导出了控制汽液相变的源项，建立了基于蒸汽质量分数方程的TEM型空化模型，计算了绕翼型的小攻角定常空泡流。虽然空泡流的实验和数值研究工作较多，但是对于非定常空泡周期性脱落过程的内在机理、流动过程中回射流的产生原因等基本问题至今仍然未有定论。本文采用基于正压关系空化模型的均质平衡空泡流模型，建立了适用于空泡流的数值算法，自行开发了计算软件。通过对NACA翼型空泡流的模拟，详细研究了空泡周期性运动的机理。2空泡流的数学模型———————————————————————————————————————————————均质平衡

7、流模型将全流场看成是由密度连续可变的单一混合介质组成，空泡湍流流动由一组方程系统控制。连续性方程和RANS方程分别为?ρ?t+??x(ρuj)=0(1)j?(ρui)?(ρujui)??u?ut+?x=[(μ+μt)(i+j?)]?j?xj?xj?xi?2?x(p+μ?uj)(2)i3?xj采用低雷诺数修正的标准线性k-ε湍流模式?(ρk)?t+?(ρujk)?x=?[(μ+μt)?k]+j?xjσk?xj2μtSijSij?Ckρε(3)?(ρε)ujε)?t+?(