绕三维扭曲水翼的空化流动的非定常特性研究

发布时间：2020-03-21 05:47

【摘要】：空化现象经常发生在水泵、水轮机、螺旋桨等水力机械叶片的表面,往往会引起叶片的振动和噪声,并影响水力机械的效率。目前,将基于水力机械叶片特征的翼型作为研究对象而开展空化现象的研究,是水力机械以及空化研究领域的热点之一。为了深入探究绕水翼空化流动的非定常特性,作者基于两种三维扭曲水翼开展了非定常空化流动机理的实验与数值研究。主要研究内容及结论如下:设计加工具有不同剖面的两种三维扭曲水翼NACA0009和Clark-y,开展了绕这两种水翼的空化流动特性的实验研究。采用高速全流场显示技术研究了绕不同三维扭曲水翼在片状及云状空化阶段的空穴形态特征及其随时间的演变规律。研究结果表明:绕不同水翼的片状空化均表现为稳定性较好地附着型空穴,其尾部拓扑呈凸型结构。云状空化形态随着时间的推移呈现出周期性的演变过程,包括附着空穴的发展、侧向射流及回射流的推进、以及空泡团的脱落溃灭。相比于NACA0009水翼,绕Clark-y水翼空穴的附着位置更靠近下游。采用PIV(Particle Image Velocimetry)流场测量技术获得了两种扭曲水翼中间截面处的瞬时空化粒子图像以及空化流场结构图,分析了空穴形态与旋涡结构及速度分布的对应关系。研究结果表明:空化区域为低速区,脱落空泡团对应于大尺度的旋涡结构。相比于NACA0009水翼前缘附着性较好的空穴,绕Clark-y水翼前缘的空化形态呈游离状,从而导致Clark-y水翼的低速区域更靠近下游位置。基于实验结果,评价了 LES和PANS两种湍流模型在绕三维扭曲水翼空化流动数值计算中的应用情况,发现相比于PANS(fk=0.2)模型,LES模型能更好地展现绕三维扭曲水翼的非定常空化流动形态随时间的演变细节,可以捕捉到尺度更加丰富的旋涡结构,最终确定了 一套基于均相流模型并耦合Zwart空化模型和LES湍流模型的数值计算方法。综合实验和数值计算方法深入研究了绕不同三维扭曲水翼的空化流动的非定常特性。探究了空化形态演变过程中的三维效应,揭示了 U型空泡团形成以及空穴形态拓扑结构的变化与反向射流辐射状推进方式的关系,分析了绕三维扭曲水翼的非定常空化形态演变特点对流场旋涡结构及水翼升力特性的重要影响,获得了附着空穴层与反向射流的相对厚度对非定常空泡脱落特性的影响规律,并发现空穴的附着位置受翼型几何曲率的影响较大。
【图文】：

从热力学角度来说，，空化与沸腾的物理本质是完全相同的，都是从液相转化为气相逡逑的临界平衡状态，但是它们产生的驱动因素又有所不同，空化的驱动力是压力变化，而逡逑沸腾的驱动力是温度变化，如图１．２所示。水的相变热动力学特性可以直观地解释空化逡逑与沸腾之间的区别。逡逑２逡逑

０逦Ｔ逡逑图１．２水的相变过程示意阁逡逑从物理要素角度来说，空化核、低压以及低压作用时间是空化产生的三要素ＩＵ，如逡逑图１．３所示。实验表明纯净的液体能承受很大的张力，液体中没有空化核是不能产生空逡逑化现象的。即使有了空化核子，也只有在低于液体饱和蒸汽压的作用下，并且作用时间逡逑足够长才有产生空化的机会，三者缺一不可。在空化产生的三要素中：“空化核”是空化逡逑产生的介质耍素，山介质及介质的流动状态决定，是空化产生的内因及先决条件，其数逡逑量及大小决定空化的难易程度；“低压”是空化产生的水动力学要素，是由绕流物体及其逡逑流动状态决定，与介质无关：“低压作用时间”是空化产生的泡动力学因素，由介质、物逡逑体、流动三者共同决定
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK72

【参考文献】

相关期刊论文 前6条

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4 季斌;罗先武;彭晓星;吴玉林;许洪元;;绕扭曲翼型三维非定常空泡脱落结构的数值分析[J];水动力学研究与进展A辑;2010年02期

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本文编号：2592865