基于前缘仿生凸结的水翼云空化控制研究
发布时间：2021-07-23 20:26
空化是流体机械中常见的一种现象,其不但会引发系统振动、噪声并影响系统做功能力,还会导致空蚀破坏。流体机械中空化具有多种形式,其中云空化是一种非常不稳定、极具破坏力的空化形式,云空化的生成与脱落具有明显的周期性,它溃灭辐射出的冲击能量是流体机械叶片空蚀破坏的关键原因。因此云空化的控制在流体机械的设计与实际运行中一直是备受关注的重点。本课题面向云空化的被动控制,将座头鲸鳍肢前缘凸结结构引入水翼设计,研究前缘仿生凸结对水翼云空化的控制原理。以标准水翼为原型建立了前缘带有仿生凸结的系列水翼模型,基于非定常数值模拟方法,研究了典型的云空化工况下原型水翼与仿生水翼的云空化特性,重点分析了前缘凸结作用下水翼压力脉动、升阻力与汽含率等参数的变化规律,明确了前缘凸结对水翼云空化的控制效果,再进一步研究了凸结波幅、波长等关键结构参数对空化控制效果的影响。主要研究内容与结论如下:（1）目前前缘仿生凸结研究在空气动力学领域得到了较多关注,并且多数以NACA63（4）-021翼型为原型,因而其参考数据最为丰富。所以本文以NACA 63（4）-021为原型,进行了仿生水翼的构型设计和定常单相数值模拟。单相模拟结果...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
仿生水翼的几何特征：(a)前缘凸结波形，(b)三维视图，(c)截面特征
10图2-1仿生水翼的几何特征：(a)前缘凸结波形，(b)三维视图，(c)截面特征将获得的点导入到“NXUG10.0”后，使用“艺术样条”命令，通过“三次样条插值”使这些点形成不同展向位置上的翼型截面。再通过“扫掠”命令，以各条曲线为截面组合起来形成水翼，定位时应选择两条引导线，即前缘处的正弦曲线和后缘处的直线。建模过程如图2-2所示。图2-2仿生水翼建模过程2.3数值计算方法计算流体力学CFD随着计算机技术的迅猛发展而逐渐成熟，使得基于N-S方程的数值计算方法得以高效高精度地实现，成为了流体相关问题的主要研究方法之一。CFD通过计算机在时间和空间上定量描述流场的数值解并模拟真实流动的图像，从而弥补理论和实验的缺陷，极具经济性和生命力。目前CFD软件较多，如ANSYSFluent、CFX、OpenFoam、STAR-CCM等，这些软件各有优缺点。其中ANSYSFluent提供了丰富精确的物理模型、可靠的数值计算方法和较快的数据处理能力等，因此本章数值模拟主要采用ANSYSFluent。2.3.1计算模型
浙江大学硕士学位论文第2章仿生水翼构型设计与性能验证11水翼计算域及边界条件设置如图2-3所示，以原型水翼前缘点为坐标原点，并采取以坐标原点为圆心且半径为12c（1224mm）的半圆形速度入口[52,59,60]，上下壁面也均采用速度入口，使得该网格适应性更强，可通过改变速度分量来调节来流攻角。出口采用压力出口，距离坐标原点20c（2040mm），使尾流得以充分发展。展向宽度为3c（306mm），两壁面采用对称边界，保证水翼流动不受壁面和稍涡的影响。水翼壁面边界为无滑移壁面。利用ICEM软件对水翼计算域模型进行结构化网格划分，网格采用C型拓扑结构，可以更好地匹配水翼和流域形状，并且由于需要特别关注翼型表面和尾流区域流动形态的变化，因此在水翼前后缘处和近水翼壁面区域进行了网格加密。图2-3(a)NACA63(4)-021水翼计算域及边界条件，(b)水翼附近网格2.3.2参数设置自然界中几乎所有的流动都是非定常（瞬态）的，往往是做了一些简化后才将其近似为定常（稳态），如忽略瞬态的脉动，或是通过整体的时均处理来消除瞬态的影响等。在CFD中使用定常计算的好处是它需要的计算资源更少，更容易进行后处理分析。但许多应用必须要求使用非定常计算求解，如空气动力学中的涡脱落、旋转机械中的喘振、多相流中的气泡动力学等。非定常问题通常是通过求解很多离散时间点上的定常结果来实现的。后续计算中发现，单相流场模拟和空化流场模拟的定常计算收敛性均较好，可得到稳定的数值模拟结果，且与非定常计算收敛的结果十分相近。因此，为了初步探索凸结对水翼空化控制的效果，并与已有文献中的空化数据（定常结果）进行比对，且有效利用有限的计算资源，本章数值模拟工作主要采用定常模拟。由Johari的实验报告[58]可知，实验所得的NACA63(4)-021升力曲?
【参考文献】：
期刊论文
[1]仿生前缘流动与空化控制机理的数值研究[J]. 陈柳,曹琳琳,赵国寿,车邦祥,武鹏,严鹏,吴大转. 工程热物理学报. 2019(10)
[2]空化水动力学非定常特性研究进展及展望[J]. 季斌,程怀玉,黄彪,罗先武,彭晓星,龙新平. 力学进展. 2019(00)
[3]DPW Ⅳ～DPW Ⅵ数值模拟技术综述[J]. 王运涛. 航空学报. 2018(04)
[4]涡流发生器对水翼流动分离的控制作用研究[J]. 车邦祥,Likhachev D S,曹琳琳,邱宁,初宁,吴大转. 工程热物理学报. 2018(01)
[5]Performance of the bio-inspired leading edge protuberances on a static wing and a pitching wing[J]. 王雅赟,胡文蓉,张仕栋. Journal of Hydrodynamics. 2014(06)
[6]二维水翼片空泡脱落及云空化数值模拟[J]. 王雅赟,王本龙,刘桦. 水动力学研究与进展A辑. 2014(02)
[7]仿鲸鱼鳍翼段气动控制实验研究[J]. 王国付,张明明,徐建中. 工程热物理学报. 2013(10)
[8]双蜗壳式双吸泵隔板结构对叶轮径向力的影响[J]. 肖若富,吕腾飞,王福军. 农业机械学报. 2011(09)
[9]非定常空化流场结构的实验研究[J]. 黄彪,王国玉,王复峰,高德明. 实验力学. 2011(04)
[10]水翼非定常空化流场的数值模拟[J]. 郝宗睿,王乐勤,吴大转. 浙江大学学报(工学版). 2010(05)
博士论文
[1]水翼附着空化机理与被动控制研究[D]. 车邦祥.浙江大学 2019
[2]泵叶轮材料空蚀试验研究[D]. 邱宁.浙江大学 2016
[3]水翼云空化及其控制机理研究[D]. 赵伟国.浙江大学 2012
硕士论文
[1]有限展长水翼空泡流的数值模拟[D]. 王雅赟.上海交通大学 2013
本文编号：3299978
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
仿生水翼的几何特征：(a)前缘凸结波形，(b)三维视图，(c)截面特征
10图2-1仿生水翼的几何特征：(a)前缘凸结波形，(b)三维视图，(c)截面特征将获得的点导入到“NXUG10.0”后，使用“艺术样条”命令，通过“三次样条插值”使这些点形成不同展向位置上的翼型截面。再通过“扫掠”命令，以各条曲线为截面组合起来形成水翼，定位时应选择两条引导线，即前缘处的正弦曲线和后缘处的直线。建模过程如图2-2所示。图2-2仿生水翼建模过程2.3数值计算方法计算流体力学CFD随着计算机技术的迅猛发展而逐渐成熟，使得基于N-S方程的数值计算方法得以高效高精度地实现，成为了流体相关问题的主要研究方法之一。CFD通过计算机在时间和空间上定量描述流场的数值解并模拟真实流动的图像，从而弥补理论和实验的缺陷，极具经济性和生命力。目前CFD软件较多，如ANSYSFluent、CFX、OpenFoam、STAR-CCM等，这些软件各有优缺点。其中ANSYSFluent提供了丰富精确的物理模型、可靠的数值计算方法和较快的数据处理能力等，因此本章数值模拟主要采用ANSYSFluent。2.3.1计算模型
浙江大学硕士学位论文第2章仿生水翼构型设计与性能验证11水翼计算域及边界条件设置如图2-3所示，以原型水翼前缘点为坐标原点，并采取以坐标原点为圆心且半径为12c（1224mm）的半圆形速度入口[52,59,60]，上下壁面也均采用速度入口，使得该网格适应性更强，可通过改变速度分量来调节来流攻角。出口采用压力出口，距离坐标原点20c（2040mm），使尾流得以充分发展。展向宽度为3c（306mm），两壁面采用对称边界，保证水翼流动不受壁面和稍涡的影响。水翼壁面边界为无滑移壁面。利用ICEM软件对水翼计算域模型进行结构化网格划分，网格采用C型拓扑结构，可以更好地匹配水翼和流域形状，并且由于需要特别关注翼型表面和尾流区域流动形态的变化，因此在水翼前后缘处和近水翼壁面区域进行了网格加密。图2-3(a)NACA63(4)-021水翼计算域及边界条件，(b)水翼附近网格2.3.2参数设置自然界中几乎所有的流动都是非定常（瞬态）的，往往是做了一些简化后才将其近似为定常（稳态），如忽略瞬态的脉动，或是通过整体的时均处理来消除瞬态的影响等。在CFD中使用定常计算的好处是它需要的计算资源更少，更容易进行后处理分析。但许多应用必须要求使用非定常计算求解，如空气动力学中的涡脱落、旋转机械中的喘振、多相流中的气泡动力学等。非定常问题通常是通过求解很多离散时间点上的定常结果来实现的。后续计算中发现，单相流场模拟和空化流场模拟的定常计算收敛性均较好，可得到稳定的数值模拟结果，且与非定常计算收敛的结果十分相近。因此，为了初步探索凸结对水翼空化控制的效果，并与已有文献中的空化数据（定常结果）进行比对，且有效利用有限的计算资源，本章数值模拟工作主要采用定常模拟。由Johari的实验报告[58]可知，实验所得的NACA63(4)-021升力曲?
【参考文献】：
期刊论文
[1]仿生前缘流动与空化控制机理的数值研究[J]. 陈柳,曹琳琳,赵国寿,车邦祥,武鹏,严鹏,吴大转. 工程热物理学报. 2019(10)
[2]空化水动力学非定常特性研究进展及展望[J]. 季斌,程怀玉,黄彪,罗先武,彭晓星,龙新平. 力学进展. 2019(00)
[3]DPW Ⅳ～DPW Ⅵ数值模拟技术综述[J]. 王运涛. 航空学报. 2018(04)
[4]涡流发生器对水翼流动分离的控制作用研究[J]. 车邦祥,Likhachev D S,曹琳琳,邱宁,初宁,吴大转. 工程热物理学报. 2018(01)
[5]Performance of the bio-inspired leading edge protuberances on a static wing and a pitching wing[J]. 王雅赟,胡文蓉,张仕栋. Journal of Hydrodynamics. 2014(06)
[6]二维水翼片空泡脱落及云空化数值模拟[J]. 王雅赟,王本龙,刘桦. 水动力学研究与进展A辑. 2014(02)
[7]仿鲸鱼鳍翼段气动控制实验研究[J]. 王国付,张明明,徐建中. 工程热物理学报. 2013(10)
[8]双蜗壳式双吸泵隔板结构对叶轮径向力的影响[J]. 肖若富,吕腾飞,王福军. 农业机械学报. 2011(09)
[9]非定常空化流场结构的实验研究[J]. 黄彪,王国玉,王复峰,高德明. 实验力学. 2011(04)
[10]水翼非定常空化流场的数值模拟[J]. 郝宗睿,王乐勤,吴大转. 浙江大学学报(工学版). 2010(05)
博士论文
[1]水翼附着空化机理与被动控制研究[D]. 车邦祥.浙江大学 2019
[2]泵叶轮材料空蚀试验研究[D]. 邱宁.浙江大学 2016
[3]水翼云空化及其控制机理研究[D]. 赵伟国.浙江大学 2012
硕士论文
[1]有限展长水翼空泡流的数值模拟[D]. 王雅赟.上海交通大学 2013
本文编号：3299978
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