横向水流作用下圆孔通气流场数值模拟

发布时间：2021-03-31 21:18

　　横向水流作用下圆孔通气流场在船舶、化工及水中兵器等领域广泛出现,影响流场流动状态的因素包括但不限于横向水流速度、通气流量、通气孔直径、表面张力、重力、气体可压缩性和通气方向。该文基于有限体积方法,结合VOF界面捕捉方法与大涡模拟（LES）方法,采用商用工程软件（FLUENT）,建立了横向水流作用下圆孔通气多相非定常流场的数值模拟方法,并且分析了不同的横向水流速度和通气流量时气泡参数变化规律,以及通气泡的断裂频率,分析得到拟合关系式。 

【文章来源】：水动力学研究与进展（A辑）. 2020,35(03)北大核心CSCD

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

计算域及网格

利用此数值模型及计算方法对Rek等[8]的实验进行模拟，横向水流速度Vl=0.723 m/s，通气流量Qg=3?10-5 kg/s。用一个矩形框将通气泡包围，矩形框的中心坐标(x/D,y/D)定义成气泡位置坐标。选取t=1.070 s时的气液界面图像，如图2(a)所示。横向水流作用下通气流场是一种复杂的非定常流动，不同周期内气泡的位置和形状存在差异，因此将气泡位置取平均值，如表1所示，除了气泡2误差略大于10%，其它气泡位置坐标在实验值附近轻微波动。在一定速度的横向水流作用下，通气泡会发生偏转、拉长、断裂和分离等周期行为，断裂频率由通气泡的两个相邻断裂的时间间隔计算得到。表2中实验的断裂频率平均值为38.7 Hz，本文得到的平均值为37.4 Hz，计算结果与实验结果均有一定的散布，体现出气泡发展演化和断裂分离的不规则性,模拟结果的气泡位置和断裂频率与实验结果吻合较好，表明模拟方法适用。

横向水流速度Vl=0.723 m/s，通气流量情况下，选取t0=0.495 s,t0+T=0.522 s一个周期的气液界面如图3所示，每一行的左图为主视图，右图为俯视图。气体经通气孔进入流场，在通气孔上游形成高压，气体轨迹向下游偏转，并且在通气孔附近气泡表面波动明显。通气泡部分附着于壁面，附着部分沿水流方向增长，直到如图3(d)发生颈缩。持续通气，通气泡X方向长度逐渐拉长，Y和Z方向长度变化不大，通气泡内部末端区域压强大于外部流场而膨胀，末端由尖锐变得平缓，表面的不规则波动不如通气孔附近。气液界面存在Kelvin-Helmholtz不稳定性，通气泡表面某位置出现较大凹陷，动量大得多的横向水流在此位置挤压通气泡，并推动下游部分使其断裂分离，分离出的气泡受浮力作用逐渐向上抬升脱离壁面。如此循环往复，流场中形成串型气泡流场。在通气孔上方3D处设置测压点，测得的压强为表压，数据点时间间隔为0.001 s，流场内测压点压强部分变化如图4所示，测压点压强整体呈现周期性变化，这段时间中最小压强为160 Pa，最大压强为860 Pa。高压时刻基本与气泡断裂时刻相对应，相邻压强较高点之间存在压强的不规则小幅波动，这与气泡表面不规则波动相对应。

【参考文献】：
期刊论文
[1]水下航行体微气泡减阻特性试验研究[J]. 宋武超,王聪,魏英杰,路丽睿.  振动与冲击. 2019(05)



本文编号：3112090