考慮熱力學(xué)效應(yīng)影響的水力機(jī)械空化模型修正研究.pdf

1、空化是指在液體流場(chǎng)的低壓區(qū)域形成蒸汽空泡的過(guò)程，同時(shí)高速流動(dòng)中發(fā)生的空化是一種存在相間質(zhì)量傳輸?shù)膹?fù)雜流動(dòng)過(guò)程，在空泡的發(fā)生、發(fā)展和破裂的過(guò)程中都存在著熱力學(xué)效應(yīng)。由于常溫水的空化一般可以忽略這種熱力學(xué)影響，所以目前大多數(shù)研究假定空化過(guò)程是一個(gè)等溫過(guò)程，沒(méi)有考慮熱力學(xué)效應(yīng)的影響。但是在高溫流體或低溫流體中，空化的熱力學(xué)效應(yīng)均不容忽視，此時(shí)再假定空化過(guò)程為等溫過(guò)程將不再合理?？栈Ｐ托枰砑訜崃W(xué)效應(yīng)源項(xiàng)進(jìn)行修正。本文主要提出了一種考慮熱力

2、學(xué)效應(yīng)影響的空化模型的修正方法，主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　1.提出了結(jié)合RNG k-ε和FBM湍流模型的修正方法。選取四種在空化模擬中廣泛應(yīng)用的湍流模型（k-ε模型、RNGk-ε模型、k-ω模型和SST模型），運(yùn)用CFX對(duì)繞NACA0015翼型流動(dòng)常溫25℃的水進(jìn)行模擬。對(duì)比分析NACA0015翼型吸力面的壓力系數(shù)分布，應(yīng)用四種湍流模型的模擬值在空化發(fā)生區(qū)域相差較小，其中k-ε模型、k-ω模型、SST模型模擬出的空穴長(zhǎng)度都比

3、試驗(yàn)值偏大，而RNG k-ε模型模擬結(jié)果與試驗(yàn)值較為相符。但在空化潰滅區(qū)到翼型尾部的部分，四種湍流模型模擬的模擬值誤差都較大，其中SST模型的模擬值相對(duì)較小。所以本文選取了RNG k-ε模型、SST湍流模型進(jìn)行基于濾波的修正，通過(guò)CEL編寫(xiě)進(jìn)CFX中，進(jìn)行模擬對(duì)比。得到修正后的RNG-FBM湍流模型模擬出的模擬值比原RNGk-ε模型更接近于試驗(yàn)值，誤差在5％以?xún)?nèi);而修正后的SST-FBM模型模擬出的空化在尾部出現(xiàn)大渦，出現(xiàn)大的壓降，導(dǎo)致

4、后半段模擬出的模擬值誤差較大。所以最終選取修正后的RNG-FBM模型來(lái)進(jìn)行空化模型修正研究。
　　2.提出了一種考慮熱力學(xué)效應(yīng)影響的空化模型修正方法。選取Singhal、Kubota和Merkle三種常用的空化模型，分別對(duì)繞NACA0015翼型流動(dòng)的常溫25℃、70℃的水進(jìn)行模擬，并與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明Singhal空化模型比Kubota和Merkle空化模型模擬的更為準(zhǔn)確。Singhal空化模型在25℃時(shí)模擬出的翼型吸

5、力面上的壓力系數(shù)與試驗(yàn)值誤差小于5％;70℃時(shí)由于沒(méi)有考慮熱力學(xué)效應(yīng)，誤差相對(duì)較大，不作為選擇依據(jù)。
　　對(duì)Singhal空化模型進(jìn)行添加熱力學(xué)源項(xiàng)進(jìn)行修正，并對(duì)高溫水的物理特性汽化壓力pv進(jìn)行修正，上述都通過(guò)CEL編寫(xiě)進(jìn)CFX中，分別采用原Singhal空化模型和修正的Singhal空化模型對(duì)25℃、70℃下的水進(jìn)行模擬對(duì)比分析，結(jié)果表明:25℃、70℃下壓力系數(shù)模擬值均與試驗(yàn)值基本吻合，誤差在4％以?xún)?nèi)，證明了修正的Singha

6、l空化模型的有效性。同時(shí)70℃下提高的精度比25℃較為明顯，是因?yàn)?0℃時(shí)水的熱力學(xué)效應(yīng)更為明顯，所以改善也就相對(duì)較大。
　　為了驗(yàn)證修正模型的適用性，選取國(guó)際上廣泛認(rèn)可的實(shí)驗(yàn)作為驗(yàn)證對(duì)象，分別對(duì)NACA66(MOD)翼型所做的實(shí)驗(yàn)和對(duì)軸對(duì)稱(chēng)回轉(zhuǎn)體所做的實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明:對(duì)于NACA66(MOD)的模擬，翼型吸力面的壓力系數(shù)分布誤差均在4％之內(nèi)，驗(yàn)證了修正模型的有效性;對(duì)于對(duì)稱(chēng)回轉(zhuǎn)體的模擬，雖然模擬的不是太準(zhǔn)確，這是由于沒(méi)有對(duì)液氮的

7、物理特性進(jìn)行修正，但是相比于原始模型提高得較為明顯，因而同樣可以驗(yàn)證修正模型的有效性。
　　3.系統(tǒng)地研究了熱力學(xué)效應(yīng)對(duì)空化流動(dòng)的影響規(guī)律。采用修正過(guò)的湍流模型和空化模型對(duì)不同溫度(25℃、50℃、70℃、100℃)下繞NACA0015翼型的空化流進(jìn)行模擬，分別分析了不同溫度下翼型的空泡體積分布、空穴長(zhǎng)度、溫度分布、壓力分布、相間質(zhì)量傳輸速率和熱力學(xué)系數(shù)等，以研究熱力學(xué)效應(yīng)對(duì)空化特性的影響規(guī)律。結(jié)果表明:隨著溫度的增加，空穴長(zhǎng)度變