文丘里喷嘴空化流大涡模拟亚格子模型对比研究.pdf
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1、液压气动与密封/2 0 2 4年第5期doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2024.05.006文丘里喷嘴空化流大涡模拟亚格子模型对比研究张楚谦,郑平,陈勇刚1.3,赵梁1(1.中国民航飞行学院民航安全工程学院,四川广汉6 18 3 0 7;2.辽宁石油化工大学石油天然气工程学院,辽宁抚顺113 0 0 1;3.中国民航飞行学院民机火灾科学与安全工程四川省重点实验室,四川广汉6 18 3 0 7)摘要:针对文丘里喷嘴不同机制下可压缩空化流开展了大涡模拟(LES)研究,并对比讨论了3 种常用的亚格子模型的适用性。结果显示,各模型在预测回射流机制和凝结激波机制的流速与空化云脱
2、落周期上表现良好。在空化云演化过程中,WALE模型在两种机制下的模拟吻合度最佳,SL模型预测溃灭过程提前,蒸汽相体积分数偏小;KET模型吻合度最差,溃灭过程以及周期内脱落存在时间延迟。初步发现回射流机制下的喉部压力功率谱密度分析服从-5/3 标度律,凝结激波机制服从-7/3 标度律。关键词:大涡模拟;亚格子模型;空化;空化流;数值模拟中图分类号:TH137;TE832Comparative Study on Sub-grid Scale Models of Large Eddy Simulation for(1.College of Civil Aviation Safety Engineer
3、ing,Civil Aviation Flight University of China,Guanghan 618307,China;2.College of Petroleum Engineering,Liaoning Shihua University,Fushun 113001,China;3.Sichuan Key Laboratory of Civil Aircraft Fire Science and Safety Engineering,Civil Aviation Flight University ofAbstract:LES simulation of compressi
4、ble cavitating flow in a Venturi nozzle under different mechanisms was conducted in this paper,in whichthe applicability of three commonly used sublattice models,were compared and discussed.Compared to previous experimental results,it isfound that the models have good performance in predicting the f
5、low rate of the re-entrant jet mechanism and the condensation shock mechanismand the shedding period of the cavitation cloud.For the cavitation cloud evolution process,WALE model has the best simulation agreementunder the two mechanisms,SL model predicts the collapse process in advance,and the vapor
6、 phase volume fraction is small.KET model hasthe worst fit,and there is a time delay in the collapse process and in-cycle shedding.It is found that the throat pressure power spectrum densityanalysis under the re-entrant jet mechanism follows the-5/3 scale law,and the condensation shock mechanism fol
7、lows the-7/3 scale law.Key words:large eddy simulation;sub-grid scale model;cavitation;cavitating flow;numerical simulation喷嘴、齿轮泵和文丘里管等装置中,液压元件的空化现0引言象对元件的精确控制和节能控制具有影响。空化所产液压管路系统液体流场中,因特殊的过流部件结生的空泡在溃灭过程会在近壁面形成微射流和冲击构造成流场内局部低压而引起液体汽化的过程称为空波,同时形成瞬间的高温和高压,造成机械表面剥蚀与化,从力学角度可解释为液体受到足够强的拉应力后电化学腐蚀,同时大量空泡或空
8、化云造成过流通道阻连续性遭到破坏 。液压系统中,空化常发生于孔板、塞,导致输送能量损失,从而严重影响流体机械设备的工作效率和寿命2 1。合理优化水力装置,可减小流量收稿日期:2 0 2 3-12-0 3脉动率,保护液压元件正常运行,提高液压系统的稳定基金项目:辽宁省教育厅科学研究一般项目(L2016017);辽宁性和安全性3-4省自然科学基金(2 0 17 0 540 59 1);中国民用航空飞行学院科研基针对各类空化问题的数值模拟,流模型的选择金面上项目(J2021-106,J2020-108)作者简介:张楚谦(19 9 8-),男,广东佛山人,硕士,主要从事多相流与计算流体力学等方面的研究
9、工作。32文献标志码:A文章编号:10 0 8-0 8 13(2 0 2 4)0 5-0 0 3 2-0 7Venturi Nozzle Cavitating FlowsZHANG Chu-qian,ZHENG Ping,CHEN Yong-gang,ZHAO LiangChina,Guanghan 618307,China)是学者必须解决的问题。一些学者采用 RANS 模型来获得,如标准hk-s模型5、SSTk-模型6 和RealizableHydraulics Pneumatics&Seals/No.5.2024k-模型7 等,尽管这些模型在工程中得到广泛应用,750mm,直管段直径恒定为
10、50 mm。但由于时均处理而损失了大量瑞流场脉动信息。随着基于Kolmogorov时间尺度估计与Taylor长度尺度计算机性能的不断提高,大涡模拟(Large eddy估计,选择合适的网格划分方案。根据本研究空化物simulation,LES)越来越频繁地被学者采用。LES 对大理过程,Kolmogorov时间尺度约10-m/s15,Taylor尺于过滤阈值的流涡进行直接数值模拟,而对小于过度约110 ml16。对比粗糙方案(网格数2.8 9 10)滤尺度的涡进行模化处理,从而将计算量控制在可接与精细方案(网格数4.16 10),前者的局部y+不能受范围内并尽可能详细地保留流场信息8-1。LE
11、S技保证小于1,因此选择精细方案。术的关键在于基于统计理论和经验参数化的亚格子模为探究空化过程中的回射流与凝结激波,针对数型及相应的过滤方案。LUO Xianwu等12 采用Wall-值模拟的出人口边界条件分别采用压力人口与压力出Adapting Local Eddy-viscosity(W A LE)模型揭示了空穴口,根据文献17 实验工况,分别设置:入口压力界面湍流相干结构在水翼前缘附近被击破,变为发夹129kPa和出口压力10 1kPa(p=2 8 k Pa),以实现回形,最后拉伸为尾缘以上马蹄形的过程;CHENG射流;人口压力12 5kPa和出口压力40 kPa(A p=Huaiyu等
12、13 采用 Smagorinsky-Lilly(SL)模型和Kinetic-85kPa),以实现凝结激波。设置人口初始的液相体积EnergyTransport(KET)模型分析了叶片泵尖端泄漏空分数为1,空化模型选用ZCB,文丘里通道壁面为无滑化流动特性,利用涡量输运方程进一步分析了空化对移壁面条件。涡旋的影响。1.2计算模型与方法洪峰等14 研究已经表明,WMLES 模型利用壁面本研究的多相流模型采用VOF模型,介质为水和函数来捕捉壁面边界层的影响,由于简化了近壁流动空化形成的蒸汽,采用均相流动的方式建立模型。连的计算,导致对空化初生的预测偏离较大,进而导致对续性方程如下:空化周期及空化云生
13、成过程的计算完全失效。因此,(pm)+V (pmU.m)=0本研究采用 CFD 商业软件ANASYS Fluent,对比分t析SL、W A LE和KET3种主流亚格子模型在文丘里通Pm=pvv+pl(1-)道内回射流和凝结激波机制下的空化过程的数值模拟um=yuy+iu应用,从而为空化理论与液压系统工程中的空化控制式中:Pm,Pv,Pi与应用提供有价值的参考。t一Um一两相流速度,m/s1模型建立与计算方法空泡体积分数,%1.1计算域与网格空泡相动力黏度和液相动力黏本研究所用文丘里管结构如图1所示,网格结构度,Pa s采用六面体网格实行划分。文丘里管段长度为V.(pmUm)PmUm物理量的散度
14、170mm,渐缩角设定为18,渐扩角为8,喉部直径为两相流的动量方程如下:16.6mm,上游直管段长为40 0 mm,下游直管段长为(pmU.)+V(pmU.Um)at压力横截!入口面网格划分uuos16.6mm188图1文丘里空化管计算域与网格划分Fig.1 Calculation domain and grid division of Venturicavitatingtube(1)(2)(3)两相流、空泡和水的密度,kg/m3时间,s=F-Vp+Ver(VU.+U)式中:F体积力,NP压力,PaMeff修正黏度,PasV(pmU.Um)pmU.U.物理量的梯度,式(4)等号右侧同理压力出
15、口可压缩汽液两相物性参数采用正压状态方程定义,其中液相基于Tait方程计算,空化的汽相基于等熵状态方程计算18 ,通过用户自定义函数(UDF)方法实现:33(4)液压气动与密封/2 0 2 4年第5期BP(sat,1NPsat,1p(p)=C.p)式中:Psat,1饱和蒸汽压,取3 6 59 Pa水的刚度,取值7.15Bal饱和压力时的体积模量,恒定温度条件下为常数,取值2.15GPaC等熵状态方程的常系数,C,=27715N/A一汽相的热容比,取1.3 3空化模型采用Schnerr-Sauermodel模型。质量运输的控制方程为:a(p,)+a(p,U,)十at式中:*一蒸发过程中单位时间内
16、由液相转变为汽相的液体质量m反向的凝结过程大涡模拟中,亚格子尺度的流应力为:1式中:一亚网格尺度的湍流黏度Tkk一一基于过滤压力项而建模的亚格子应力的各向同性源项3,应变速率张量考虑以下3 种亚格子模型:(1)Smagorinsky-Lilly model(SL)模型流黏度,与亚格子混合尺寸L。定义:M.=pL:/23,3式中:L一亚格子的混合长度L,=min(kd,CsV/3)式中:K von Karman 常数,k=0.41d近壁面首层单元格的厚度CsSL模型中的修正常数,Cs=0.23V一一单元格的体积(2)W a l l-A d a p t i n g Lo c a l Ed d y-
17、v i s c o s i t y(W A LE)模型在WALE模型中,涡流黏度的模型为:M=pmLs(S,3,)5/2+(StSt)/4L,=min(kd,CwVl/3)34P=mt-m*(S;St)32+Psat,1(5)(6)(7)(8)(9)(10)(11)(12)(13)式中:Cw为WALE常数,Cw=0.325,WALE模型对层流剪切流的瑞流黏度为0。可较好处理计算域中的层流区。(3)K i n e t i c En e r g y T r a n s p o r t(K ET)模型该模型在SL模型基础上,考虑了模型参数随流动流态的变化,通过空间相关参数获得动态变化的模型参数。此亚
18、格子模型可获得网格无关解。流黏度定义为:ut=CupVkvi/s式中:C一一随流态而采用不同数值h亚格子能量k=(UR-UR)本研究采用压力耦合求解器,通过有限体积法实现控制方程的离散化。采用Coupled压力-速度耦合算法,梯度离散格式采用基于单元最小二乘法,压力项采用体积力加权格式,动量采用二阶迎风格式,端流方程组采用二阶迎风格式,体积分数采用QUICK格式。数值模拟过程中,先求解单相流控制方程,在通过LES各亚格子模型获得的初始湍流场基础上,进一步求解多相流控制方程。2结果与分析2.1空化数与脱落周期本节通过基于实验中的喉部速度、空化数和脱落频率,分别与数值模拟提取的数据进行对比,验证数
19、值模拟方法的可靠性。本研究的入口和出口条件均为压力边界,因此速度计算结果可以很好地反映亚格子模型在计算流场时的准确性。回射流工况下(喉部流速13.63m/s)的雷诺数为2 2 553 4.9 9,凝结激波工况下(喉部流速13.8 2 m/s)的雷诺数为2 2 8 6 7 8.9 1。基于不同的亚格子模型数值模拟提取的喉部平均速度与实验数据比较如图2 所示,结果表明,WALE和KET的计算结果更吻合实验结果,SL模型较WALE与KET偏差较大,相对误差达到2.5%。3 种亚格子模型的速度场计算偏差,凝结激波的相对均方根误差为0.7%,回射流为0.9%。空化数是权衡流动过程中空化发展程度的无量纲参
20、数,其定义为空化状态下静压差(环境压力与饱和蒸(14)(15)制下,各模型获取的空化云脱落频率较实验值偏大。Hydraulics Pneumatics&Seals/No.5.2024气压)与动压之比:频率分别为50,6 1,50 Hz。可见,回射流机制下,各模Pdown-Psal.!型获取的空化云脱落频率较实验值偏小;凝结激波机0.5pU(16)式中:Pdown下游压力Psat,l饱和蒸汽压15.0斤模拟:回射流模拟:激波14.5-文献15:回射流I-S.w/n文献15:激波14.013.513.0图2 数值模拟喉部速度与实验对比Fig.2Comparison of mean velocity
21、 at throat of Venturibetween experiments and simulations回射流工况下,实验的空化数为0.8 6,WALE、K ET和SL对应的空化数分别为0.9 3,0.9 2 和0.9 7;凝结激波工况下,实验的空化数为0.2 5,WALE、K ET 和SL对应的空化数分别为0.3 6,0.3 8 和0.3 5,计算结果比较如图3 所示。两种工况下的模拟数据较实验数据略微偏大,模拟数据用于实验结果吻合较好,其中表现最好的仍是WALE模型。由于数值模拟采用下游2 0 0 D位置的压力,而实验中采用下游3 7 0 D,因此数值模拟的Pdow偏大,导致数值模
22、拟得到的稍高于实验结果。2.0模拟:回射流模拟:激波1.5文献15:回射流-文献15:激波1.00.50.0图3 数值模拟空化数与实验对比Fig.3 Comparison of cavitation number betweenexperiments and simulations空化云脱落频率于是指单位时间内空化云脱落的次数,通过分析喉部压力信号功率谱密度的最大能量对应的空化云脱落频率,图4比较了实验与数值模拟的f。回射流工况下,实验的空化云脱落频率为192 Hz,WALE、K ET 和 SL对应的空化云脱落频率分别为18 2,16 7,13 3 Hz;凝结激波工况下,实验的空化云脱落频率为
23、46 Hz,WALE、K ET 和SL对应的空化云脱落回射流机制下,SL模型的匹配度较差,WALE可以较好预测,与文献17 的实验测量结果相比,偏差在4.6%以内。凝结激波机制下,WALE与SL均具备较好的拟合效果,偏差不超过1.0%。数值模拟结果也显示出3种亚格子模型对空化云脱落周期具有较好的预测。400300200WALEKETSGSWALEKETSGS模拟:回射流模拟:激波文献3 :回射流文献3 :激波SL1000WALE图4数值模拟脱落频率与实验对比Fig.4Comparison of shedding frequency betweenexperiments and simulati
24、ons 2.2空化云演化文丘里内水力空化具有典型的不稳定性特征,空化云的附着和脱落机制一直是空化研究领域的焦点和挑战。早期的研究已经阐明了经典的回射流机制,以及导致附着腔破裂和脱落的冷凝激波机制。本节将探讨不同亚格子模型在两种机制下具体的模拟表现。Exp.文献15 WALE0/6.To1/6 To2/6T3/6 ToSL4/6To5/6ToFig.5 Evolution of cavitation cloud of re-entrant1)回射流机制回射流机制下的空化演化过程如图5所示,左侧第一列为文献17 可视化实验观测结果,后3 列为LES模拟结果。考虑到不同亚格子模型预测的空化周期与实验
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