锥形叶片旋转空化器数值仿真研究
发布时间：2021-02-12 01:12
通过高速转动的叶片形空化器,可形成可控的超空泡。对于旋转超空泡的研究,非常重要而又十分复杂。本文采用数值仿真计算的方法,建立三维几何模型,采用Ansys Fluent软件进行模拟求解,对四叶片旋转空化器的工作特性进行分析。研究结果表明,旋转空化器形成的超空泡具有很强的规律性。在超空泡尾部具有明显的溃灭而形成向超空泡内部的射流,射流的产生使得超空泡尾部都具有内凹结构。在低转速下,旋转叶片尖端后部的回流使得超空泡无法覆盖叶片尖端,而随转速的增大超空泡逐渐覆盖叶片的尖端后部。旋转空化器转速的提升对超空泡的形成具有很明显的作用,形成的超空泡体积随转速呈指数增长。本文所得到的超空泡演变规律对旋转空化器的设计和应用都具有重要的参考意义。
【文章来源】：节能技术. 2020,38(04)
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
四叶片空化器几何模型
采用结构化网格对所设计的四叶片空化器进行网格划分,如图2所示。由于只计算空化器旋转形成超空泡的流场信息,所以只需要对流体域进行网格划分,并对各网格面进行单独定义,以用于边界条件的设定。网格均为六面体网格,同时在叶片表面采用边界层网格进行加密,以达到对计算y+的要求,总网格数为800万。网格大小与文献中网格尺寸基本一致[6-7],数值模拟方法与工具也与文献中所用一致,文献中已经进行了网格无关性验证,网格尺寸已经满足计算精度要求。2 数值计算模型
如图4列出了六个转速下单个叶片后形成的超空泡形态。从图中可以非常直观的看出超空泡形态随转速的演变过程。首先,在空化刚刚产生的转速下,在锥形叶片的两个棱角处形成两个局部空化区域,两个空化区域是相互独立的。而且,空化产生的位置并未在叶片半径最大、线速度最大的端部,而是在离端部有一定距离的位置。在随着转速的增大,两个棱角处形成的空化区域逐渐增大,最终连接到了一起,并随着转速的增加体积不断增大。在超空泡随着转速增大的过程中,有两个特征非常明显。一个是在空泡后部都会形成明显的内凹形结构;另一个是在转速增大到较大值时,空泡才会达到叶片顶端。空泡后的凹形结构是空泡溃灭过程产生的。在水洞超空泡实验的研究中也表明,超空泡在溃灭过程中,都会向空泡内形成射流。特别是在转速较低的情况下,旋转叶片后形成的超空泡尺寸有限。而且由于旋转叶片后边沿宽度较大,使得超空泡的宽度较大,同时超空泡的长度却比较短。此时叶片旋转形成的低压区大小有限,在低压区边缘,形成的空化非常不稳定。这种情况下,超空泡的尾部处于非常不稳定的状态,汽化生成的水蒸气很容易重新液化成水,从而形成了向空泡内的射流。这种溃灭形成的射流随着转速的增大,超空泡尺寸增加,长度不断增大后,而逐渐弱化和消失。这是由于转速增大,叶片后形成的低压区逐渐增大并达到稳定,而且随着超空泡长度增加,尾部宽度减小,使得溃灭更不容易产生向内的射流。
【参考文献】：
期刊论文
[1]水下航行体垂直发射环境流场与弹道耦合数值模拟研究[J]. 燕国军,梁欣欣,张健,权晓波,魏海鹏. 节能技术. 2019(04)
[2]基于水力空化技术实现杀菌的实验研究[J]. 裴禹,李大尉,赵孟石,姚鸿宾,姚立明. 节能技术. 2019(03)
[3]几种空化喷嘴流场的数值模拟[J]. 姚立明,赵怡,李大尉,裴禹,姚鸿宾,赵孟石. 节能技术. 2015(01)
[4]Modeling of rotational supercavitating evaporator and the geometrical characteristics of supercavity within[J]. LIKHACHEV Dmitriy S.,LI FengChen. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2014(03)
博士论文
[1]湍流减阻添加剂对超空化流动的影响机理研究[D]. 姜晨醒.哈尔滨工业大学 2015
硕士论文
[1]旋转超空泡蒸发器叶片参数优化的数值模拟研究[D]. 李倩.哈尔滨工业大学 2015
[2]减阻溶液中轴对称水下航行体通气超空泡数值模拟研究[D]. 李书磊.哈尔滨工业大学 2014
[3]表面活性剂减阻剂对超空泡特性影响实验研究[D]. 邹志林.哈尔滨工业大学 2009
本文编号：3030010
【文章来源】：节能技术. 2020,38(04)
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
四叶片空化器几何模型
采用结构化网格对所设计的四叶片空化器进行网格划分,如图2所示。由于只计算空化器旋转形成超空泡的流场信息,所以只需要对流体域进行网格划分,并对各网格面进行单独定义,以用于边界条件的设定。网格均为六面体网格,同时在叶片表面采用边界层网格进行加密,以达到对计算y+的要求,总网格数为800万。网格大小与文献中网格尺寸基本一致[6-7],数值模拟方法与工具也与文献中所用一致,文献中已经进行了网格无关性验证,网格尺寸已经满足计算精度要求。2 数值计算模型
如图4列出了六个转速下单个叶片后形成的超空泡形态。从图中可以非常直观的看出超空泡形态随转速的演变过程。首先,在空化刚刚产生的转速下,在锥形叶片的两个棱角处形成两个局部空化区域,两个空化区域是相互独立的。而且,空化产生的位置并未在叶片半径最大、线速度最大的端部,而是在离端部有一定距离的位置。在随着转速的增大,两个棱角处形成的空化区域逐渐增大,最终连接到了一起,并随着转速的增加体积不断增大。在超空泡随着转速增大的过程中,有两个特征非常明显。一个是在空泡后部都会形成明显的内凹形结构;另一个是在转速增大到较大值时,空泡才会达到叶片顶端。空泡后的凹形结构是空泡溃灭过程产生的。在水洞超空泡实验的研究中也表明,超空泡在溃灭过程中,都会向空泡内形成射流。特别是在转速较低的情况下,旋转叶片后形成的超空泡尺寸有限。而且由于旋转叶片后边沿宽度较大,使得超空泡的宽度较大,同时超空泡的长度却比较短。此时叶片旋转形成的低压区大小有限,在低压区边缘,形成的空化非常不稳定。这种情况下,超空泡的尾部处于非常不稳定的状态,汽化生成的水蒸气很容易重新液化成水,从而形成了向空泡内的射流。这种溃灭形成的射流随着转速的增大,超空泡尺寸增加,长度不断增大后,而逐渐弱化和消失。这是由于转速增大,叶片后形成的低压区逐渐增大并达到稳定,而且随着超空泡长度增加,尾部宽度减小,使得溃灭更不容易产生向内的射流。
【参考文献】：
期刊论文
[1]水下航行体垂直发射环境流场与弹道耦合数值模拟研究[J]. 燕国军,梁欣欣,张健,权晓波,魏海鹏. 节能技术. 2019(04)
[2]基于水力空化技术实现杀菌的实验研究[J]. 裴禹,李大尉,赵孟石,姚鸿宾,姚立明. 节能技术. 2019(03)
[3]几种空化喷嘴流场的数值模拟[J]. 姚立明,赵怡,李大尉,裴禹,姚鸿宾,赵孟石. 节能技术. 2015(01)
[4]Modeling of rotational supercavitating evaporator and the geometrical characteristics of supercavity within[J]. LIKHACHEV Dmitriy S.,LI FengChen. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2014(03)
博士论文
[1]湍流减阻添加剂对超空化流动的影响机理研究[D]. 姜晨醒.哈尔滨工业大学 2015
硕士论文
[1]旋转超空泡蒸发器叶片参数优化的数值模拟研究[D]. 李倩.哈尔滨工业大学 2015
[2]减阻溶液中轴对称水下航行体通气超空泡数值模拟研究[D]. 李书磊.哈尔滨工业大学 2014
[3]表面活性剂减阻剂对超空泡特性影响实验研究[D]. 邹志林.哈尔滨工业大学 2009
本文编号：3030010
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