自然空泡流數(shù)值模擬方法研究.pdf

1、自然空化是指一定條件下液體介質(zhì)內(nèi)部出現(xiàn)蒸汽泡或蒸汽穴的現(xiàn)象。通常高速流動(dòng)是自然空化發(fā)生的因?yàn)?它導(dǎo)致液體介質(zhì)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(duì)于水利設(shè)備的剝蝕、噪聲和高速運(yùn)動(dòng)物體的水動(dòng)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(yùn)載工具航速的大幅度提高,空化的發(fā)生不可避免?？张萘鲃?dòng)特性及其機(jī)理研究仍是目前水動(dòng)力學(xué)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(fù)雜三維非定?？张萘鞯臄?shù)

2、值計(jì)算方法,不僅具有重要的理論意義,而且有著廣泛的工程應(yīng)用價(jià)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(shù)值計(jì)算方法,研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的三維多相非定常自然空泡流的計(jì)算軟件,并用于工程實(shí)際空泡流動(dòng)問(wèn)題的分析。
　　 本文的主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新性成果如下:
　　 1、在自然空泡復(fù)雜流場(chǎng)的多相流數(shù)學(xué)模型方面進(jìn)行了系統(tǒng)而深入的研究。引入了五種基于正壓關(guān)系、基于相分?jǐn)?shù)輸運(yùn)方程形式的均質(zhì)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(jié)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(dòng)的數(shù)值模擬方法。在模型形式和算法實(shí)現(xiàn)上進(jìn)行了改進(jìn),成功地模擬了空化數(shù)小于0.01條件下以及復(fù)雜非定常的自然空泡流問(wèn)題。本文還提出了一種考慮來(lái)流介質(zhì)可壓縮性的高速空泡流模型,模擬了高亞聲速來(lái)流條件下的自然空泡流問(wèn)題。
　　 2、在適合于空泡流計(jì)算的數(shù)值算法方面開展了有特點(diǎn)的工作。針對(duì)空泡流問(wèn)題的特殊性,在以無(wú)空泡單相流場(chǎng)作

4、為初始條件進(jìn)行空泡流計(jì)算之前,重置低于飽和蒸汽壓區(qū)域的壓力,并在計(jì)算中對(duì)壓力范圍進(jìn)行限制,以保證得到合理的泡內(nèi)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(zhì)的壓縮性的方法,使得計(jì)算中空化區(qū)域內(nèi)被重置的壓力快速擴(kuò)散,空化模型持續(xù)保持足夠大的相變勢(shì),從而能夠較快地生成合理的空泡形態(tài)。根據(jù)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的相分?jǐn)?shù)來(lái)設(shè)定節(jié)點(diǎn)上的可壓縮性參數(shù),進(jìn)而對(duì)不可壓縮的來(lái)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(chǎng)分布。本

5、文還研究了采用TVD的高階對(duì)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(shù)值模擬軟件。該軟件采用有限體積法開發(fā),適用于分塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分的任意復(fù)雜計(jì)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?jì)算部分采用了本文改進(jìn)和提出的空泡流模型,并結(jié)合了十余種線性、二階、三階的兩方程湍流模式。方程

6、對(duì)流項(xiàng)的離散格式采用帶延遲修正的一至二階迎風(fēng)格式和多種帶TVD限制器的高階對(duì)流格式。通過(guò)驗(yàn)證表明該軟件適用于較廣的空化數(shù)和雷諾數(shù)范圍的復(fù)雜自然空泡湍流流動(dòng)。
　　 4、針對(duì)存在經(jīng)典解析解和可靠試驗(yàn)結(jié)果的典型問(wèn)題進(jìn)行了計(jì)算比對(duì),驗(yàn)證了本文數(shù)值模擬方法對(duì)自然空泡預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和對(duì)工況的廣泛適用性。對(duì)網(wǎng)格密度、差分格式、模型參數(shù)、雷諾數(shù)影響等數(shù)值計(jì)算的基本問(wèn)題進(jìn)行了分析,考察了其對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。在較廣的空化數(shù)范圍內(nèi),本文計(jì)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(shù)等與解析解和試驗(yàn)數(shù)據(jù)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(lái)流條件下的自然空泡流問(wèn)題。印證了亞聲速可壓縮勢(shì)流理論關(guān)于空化數(shù)固定時(shí)空泡長(zhǎng)度和阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)增加而增大的結(jié)論,說(shuō)明了高速條件下考慮來(lái)流壓縮性影響的必要性。
　　 系統(tǒng)地比較和評(píng)價(jià)了不同空化模型和湍流模式的組合在計(jì)算穩(wěn)定性、網(wǎng)格依賴性、空泡形態(tài)、空泡尺度、泡內(nèi)流動(dòng)結(jié)構(gòu)、水動(dòng)力特

8、性等多方面的差別和優(yōu)劣,為進(jìn)一步的空泡流數(shù)值模擬工作提供了有價(jià)值的參考。
　　 5、運(yùn)用本文所建立的數(shù)值模擬方法,研究了文丘里管內(nèi)空泡流、繞水翼空泡流與大攻角運(yùn)行航行體空泡流等工程實(shí)際中的自然空泡流動(dòng)現(xiàn)象與機(jī)理。
　　 對(duì)于文丘里管內(nèi)空泡流,在不同的收縮.擴(kuò)張角下分別計(jì)算得到了定?？张菪螒B(tài)和非穩(wěn)態(tài)空泡演化過(guò)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相符?？张蓍L(zhǎng)度、脫落頻率、泡內(nèi)速度及相分?jǐn)?shù)

9、分布與試驗(yàn)結(jié)果接近。入口壓力系數(shù)的振蕩頻率與空泡脫落頻率一致,表明空泡運(yùn)動(dòng)對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生規(guī)律性的影響。
　　 對(duì)于繞水翼的非定?？张萘?計(jì)算得到的空泡脫落與試驗(yàn)觀察到的大塊云霧狀空泡發(fā)展過(guò)程一致,空泡脫落頻率與升阻系數(shù)的振蕩頻率一致,Strouhal數(shù)與理論和試驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)接近。分析了空泡非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)結(jié)構(gòu)、特征及其機(jī)理,發(fā)現(xiàn)空泡周期性脫落現(xiàn)象與回射流發(fā)展、流場(chǎng)逆壓梯度及渦結(jié)構(gòu)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(jì)算結(jié)果,