绕水翼空化流固耦合特性研究现状与展望.pdf
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1、 年 月 第 卷 第 期 许彬绕水翼空化流固耦合特性研究现状与展望许彬,王浩,沈熙,刘克洋,张德胜(江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心,江苏 镇江 )收稿日期:;修回日期:;网络出版时间:网络出版地址:基金项目:国家自然科学基金联合基金项目();江苏省高等学校基础科学(自然科学)重大项目()第一作者简介:许彬(),男,江苏南京人,副研究员,博士(),主要从事流体机械及工程研究通信作者简介:张德胜(),男,江苏南通人,研究员,博士生导师(),主要从事流体机械及工程研究摘要:针对绕水翼空化流固耦合特性,从试验和数值模拟等方面进行了总结 详细评述了侵入式局部探针测量技术和非侵入式全场光学测量技术
2、的优缺点,并且从空化形态、流场结构等方面对绕水翼非定常空化流动相关试验研究进行了较为详细的评述和讨论 总结了不同空化模型和湍流模型对模拟绕水翼空化初生、发展和脱落过程的影响 在绕水翼空化流固耦合的试验研究方面,详细从测量结构的固有频率、振动特性、应变以及结构位移等方面对相关研究进行了分析,指出空穴形态的捕捉和结构动力学特性参数的测量是绕水翼空化流固耦合试验研究的关键 在绕水翼空化流固耦合的数值模拟方面,详细讨论了整体求解法和分步求解法,指出附加质量效应是求解绕水翼空化流固耦合的重要关注点 最后,从多物理场同步观测与分析、空化 涡 湍流三者相互作用机制、考虑热力学效应的绕水翼空化流固耦合和建立考
3、虑多物理尺度变化的空化模型等方面展望了绕水翼空化流固耦合未来发展方向关键词:水翼;空化;流固耦合;试验研究;数值模拟中图分类号:文献标志码:文章编号:():许彬,王浩,沈熙,等 绕水翼空化流固耦合特性研究现状与展望 排灌机械工程学报,():,(),():(),(,):(),排灌机械工程学报第 卷 ,:;空化是指液体内局部压力低于环境温度下的饱和蒸汽压时,液体内部或者固液交界面上空泡的形成、发展和溃灭的过程 空化数是用来描述空化发展的量纲一数,表征系统的压力变化,按照空穴形态特征及发展程度,可以将水翼表面附着型空化分为初生空化、片状空化、云状空化和超空化等 个阶段 空化是一种常见的复杂流动现象,
4、广泛存在于水力机械、深海发射、航空航天等涉及国民经济与社会发展的重要领域 随着材料学科的不断发展,弹性材料因具有高比强、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、阻尼减震性好、破损安全性好等优势常常被人们运用于螺旋桨、涡轮泵等水力机械领域以及能源和海洋工程领域的装备研发,水弹性载荷和结构弹性变形之间的相互作用更加复杂,非定常空化流动下的流固耦合特性尤为显著综上所述,考虑非定常空化流动及其流固耦合特性的研究对于水力机械性能的提升、水下兵器的研制以及航空航天的发展都具有非常重要的价值目前,基于水力机械叶片特征的水翼是水力机械及空化研究领域的热点之一 文中拟首先综述绕水翼空化流动的试验以及数值模拟研究现状,然后进一步
5、对空化流动作用下的流固耦合特性进行回顾与梳理,最后对绕水翼空化流固耦合的发展趋势进行展望 绕水翼空化流动的研究现状 绕水翼空化流动的试验研究非定常空化流动试验测量的参数主要包括空化流动中的蒸汽含量、速度、压力等 流场内部蒸汽含量是表征空化最直观的物理量 早在 年 等 就尝试采用光学探针获得了不同形态空化区域中的时均蒸汽含量,再到采用 射线密度仪 测量空化流场中部分空间点的蒸汽含量,通过对流场蒸汽含量的测量试验很大程度上提高了对于非定常空化流动空穴形态的认知 速度作为基本的物理量之一,反映了流场内部的动力学特性 早期的流场速度是依靠探针进行测量,但由于速度探针会破坏流场内部结构而影响测量的准确性
6、,故逐步被基于光学原理的激光多普勒测速仪(,)和粒子图像测速(,)技术所取代 等 基于 技术捕捉了绕 水翼非定常空化流动中空泡初生发展脱落的全过程 基于 技术基础上发展的时间分辨粒子成像测速系统(,)以及 结合激光诱导荧光(,)等技术,也在很大程度上提高了对空化内流场速度测量的准确性 空化的产生就是由于压力的变化,因此压力场也可以反映空化状态及剧烈程度 常见的压力测量方法就是在监测点位置安装压力传感器,等 借助压力传感器对水翼尾部振动进行测量,进而提出云空化尾部反射流脱落机制 为了能准确测量扭曲水翼表面的压力变化,等 通过增加传感器数量来保证压力测量的准确性 总的来说,目前流场中物理参数的主流
7、测量技术可以分为 种:一种是侵入式局部探针测量技术,包括用于测量空隙率和速度的双光学探针、用于测量空隙率和气液两相形态的光学内窥镜以及测量压力的压力传感器等;另一种是非侵入式全场光学测量技术,包括典型的高速摄影以及利用荧光粒子结合光学滤镜的 等 表 总结了 类测量技术 第 期许彬,等绕水翼空化流固耦合特性研究现状与展望的优缺点表 不同测量技术的优缺点 测量技术测量方法优点和缺点侵入式局部探针测量技术光学探针、速度探针、压力传感器等优点:能够准确地测量被测量点的相关数据;缺点:探针等物体的存在会对流场形成干扰,与所预期的流场有所差距非侵入式全场光学测量技术射线密度仪、等优点:保证了流场结构的完整
8、性;缺点:对于试验条件要求较为苛刻;获得的图像等数据需要特定的方法进行处理 等 探究了不同空化数下绕 水翼的非定常空化流动过程,指出云状空化会出现周期性的脱落过程 等 以 水翼为载体进行了试验探究,结合数值分析,指出了附着空化和云空化脱落是边界层厚度增加的主要原因 等 使用高速摄影探究不同攻角对水翼附着空腔长度的影响 等 采用高速摄影的方法对比了绕光滑壁面水翼和粗糙壁面水翼下的空化流动特性,指出了表面粗糙度会影响流体绕水翼空化流动的空泡形态 接着,等 对比了铝制水翼、不锈钢水翼以及环氧涂层水翼在不同空化数下的空化流动特性,发现该空化发展过程包含 个典型阶段:附着空化的发展和由于回射流导致的空泡
9、云团的脱落及溃灭 陈倩等 在 水翼前缘添加了粗糙带 研究发现,该粗糙带会提高水翼前缘的局部压力从而改变空化流动特性 等 试验研究了障碍物对于绕水翼空化流动特性的抑制效果为了揭示热力学效应下的绕水翼的空化流动特性,不少学者都进行了相关研究 其中最为经典的是 在 年,针对液氢和液氮 种低温介质开展的较为全面的低温空化水洞试验试验模型包括不同尺寸的文丘里管、水翼和尖顶拱试验得到的关于不同空化数和不同温度下的低温空化数据被广泛用于低温空化数值模型的验证 年,等 针对不同温度水绕 水翼空化流动特性进行了试验研究 通过测量水翼表面压力以及空泡长度等变量,分析了热力学效应对空化流动特性的影响 等 针对液氮绕
10、 水翼分析了不同空化数下绕水翼表面的空化形态 等 针对氟化酮绕水翼研究了不同来流速度、空化数以及温度对其空化流动特性的影响,指出热力学效应对空化的影响不可忽视 朱佳凯 搭建了一个适用于低温介质空化流动的可视化试验台,针对液氮绕水翼进行了试验研究,揭示了热力学效应对空化的抑制作用综上所述,试验研究的准确性依赖于测量方法的选择和试验环境的控制,如何在尽可能不破坏流场结构的前提下获得更为准确的试验数据是改进测量方法所面临的挑战;而低温介质绕水翼的非定常空化流动研究需要对流场温度和压力进行测量,这增加了试验的难度,需要在今后的试验中加以考虑 绕水翼空化流动的数值模拟 网格技术及空化模型梁尚等 采用基于
11、四叉树结构的自适应网格技术,以 水翼为载体进行数值研究发现,在网格不加密的情况下,空泡脱落形态较为模糊;在一级加密下,数值计算结果能捕捉到空化脱落现象且流场分辨率显著提高;在二级加密下,能明显观察到回射流的产生以及一些涡结构 杨玉肖等 针对二维水翼周围流场的网格划分采用了基于四叉树结构的自适应网格加密方式,该网格生成方法很好地捕捉到了绕 水翼非定常空化流动过程中空泡的脱落及溃灭过程学术界广泛采用的是基于 方程的 空化模型 、空化模型 以及 ()空化模型 这 种空化模型的单位体积质量传输率都同含气率的一阶导数相关,不同的是 空化模型和 空化模型都认为含气率与气泡数密度相关,空化模型中的单位体积的
12、质量传输率仅仅与气相密度有关,与液相密度、混合项密度均无关;空化模型中的单位体积质量传输不仅与蒸汽密度相关,还涉及了液相密度与混合项密度,因此被称为全空化模型;空化模型则是将蒸汽体积分数与单位体积中液体的气泡数量联系在一起 等 采用 空化模型捕捉到了绕 水翼空化流动过程中空泡初生发展溃灭的全过程 等 采用 空化模型模拟分析了 水翼的空蚀程度,利用强度函数法(,)、灰度级法(,)以及新提出的侵蚀功率法(,)对水翼进行空蚀预测并与试验结果进行了对比分析 郑小波等 在 空化模型的混合项密度中引入不可凝结相的体积分数和质量分数,重新定义并计算了新的质量传输率 刘莉莉 构建了一种非线性空化模型,并采用
13、排灌机械工程学报第 卷该模型模拟了绕水翼空化流动特性 该空化模型能够完整地预测空泡的初生发展脱落溃灭过程,其中附着片状空化的空泡增长率与试验基本一致,验证了该模型的适用性与正确性随着低温液体火箭的发展,许多学者针对不同低温介质绕水翼的非定常空化流动特性进行了数值方面的研究 孙铁志等 基于 空化模型,同时耦合求解考虑汽化潜热的能量方程,模拟了液氢和液氮 种低温介质绕水翼的非定常空化流动特性,研究了热力学效应对空化发展过程的抑制作用 等 对比液氢与水绕水翼的空化数值模拟结果,指出空泡的脱落和空化数与 倍攻角比值()的大小密切相关 等 基于 空化模型,综合考虑了热力学效应对于流体物性参数的影响,模拟
14、了低温介质空化流动特性,并与试验结果对比,验证了该模型的可行性 等 假设空化过程中存在热力学平衡,提出了一种动态空化模型,考虑了吉布斯自由能的影响,结合 方程与 方程来计算气核半径,该模型能更好地适用于考虑传热的激波诱导空化的情况 湍流数值模拟方法基于 方法所建立的湍流模型包含雷诺应力模型和涡黏模型 种,其中最为广泛也是最早运用于数值模拟的就是涡黏模型中的两方程模型,包括标准 模型,模型以及 模型等 丁恩宝等 基于标准 模型,采用 对绕 水翼非定常空化流动进行了数值模拟和分析,探究了空化起始点的位置 研究发现,空化初生的临界雷诺数与攻角有一定的关系 万初瑞等 采用了 种不同的两方程湍流模型对绕
15、 水翼空化流动进行了数值模拟 研究发现,采用 湍流模型获得的计算结果能更好地与试验结果吻合,但由于数值耗散等问题,空化压降不足并且梢隙涡不明显这些模型对湍流黏度的过度预测导致无法准确捕捉到空化的发展过程,因而有学者针对湍流黏度进行修正,来提高数值模拟空化流动的准确度 等 基于密度修正的 模型,以 水翼为载体进行了数值模拟,预测了主动射流对空化流动的影响,得到了较为清晰的空化过程,指出了最佳抑制空化的射流位置是水翼上表面顶点处 陈铠杰等 对 湍流模型的湍流黏度进行了密度修正,并且通过数值计算模拟了回射流的流动特性,同时在绕三维 水翼的空化数值模拟中发现了“马蹄”形空化形态 这些修正方法都是采用密
16、度函数替代原来湍流黏度中的混合项密度,在基于 方法的湍流模型中,还有考虑可压缩性的密度修正模型(,),它是通过引入 个参数来降低空化区域核心的涡流黏度;还有通过引入滤波器尺度对两方程模型进行修正的滤波器模型 (,),当湍流尺度大于滤波器尺度时,对原两方程模型中过度预测的湍流黏度进行修正,而当湍流尺度小于滤波器尺度时,则保留原湍流模型进行计算 种模型所影响的区域不同,故也衍生出了很多将 种模型结合的湍流模型,如将 与 结合形成基于混合密度分域的湍流模型(,),能够准确地预测整个流场的湍流流动特性;还有将 与 模型的滤波函数进行相互比较,采用适宜的模型 对 相 应 流 场 进 行 修 正 的 滤
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