二维水翼空化溃灭瞬态过程与微观机理研究

论文摘要

为了较为准确预测空泡溃灭对水力机械性能的影响以及进一步探究空化的相关机理,本文以NACA4412翼型为研究对象,通过对二维水翼空化过程中脱落空泡的溃灭瞬态过程进行数值模拟,并且结合空化过程试验进行对比,分析了现有过程方法的不足,之后基于分子动力学方法进一步模拟,探究微观空泡核溃灭过程的影响因素。本文主要研究内容及成果如下:1.空泡溃灭过程受攻角影响较大,并且对速度场具有一定的抑制作用。结果表明:脱落空泡随主流向翼型尾缘移动过程中,多数大空泡呈现扁平状,并且在回射流及尾缘高压的双重作用下,大空泡不断坍塌溃缩成较小空泡或形变产生形态各异的空泡直至完全溃灭。吸力面的高速区域随攻角增大而增大,并且空泡溃灭过程对来流速度抑制作用较为明显,高速区域在随脱落空泡从前缘逐渐向下游移动过程中范围不断缩小,并且空泡溃灭越剧烈的区域速度波动越明显。此外,随攻角的增大,空泡脱落的时间周期明显提前,脱落的空泡体积明显增大,相应的空泡完全溃灭的时间周期也越长。2.脱落空泡主要溃灭区域的距离与翼型攻角呈正相关:6°、8°、10°攻角翼型的空泡溃灭区域分别主要集中于翼型尾缘前后0.4l区域内、尾缘后0.4l区域内、尾缘后0.8l区域内。3.空泡溃灭过程对翼型的压力场具有一定的影响。结果表明:随着攻角的增大,翼型吸力面低压区范围越大持续时间越长,相应的高压区域越小持续时间越短,使空泡溃灭区域逐渐向后方高压区移动。攻角的增大使脱落空泡体积增大,导致溃灭产生的压力峰值越大,并且空泡溃灭时产生的压力激波反作用于翼型的压力场,使近溃灭点附近压力梯度变化更为剧烈,从而影响附着空化的生长。4.空泡溃灭区域与涡核以及湍动能波动区域具有一致性。研究发现涡核和湍动能的发展及紊乱区域主要集中于空泡溃灭的高发区,并且随着攻角的增大,涡核及湍动能波动范围也随之增大,涡核速度梯度分布也极为明显。此外,空泡溃灭过程对翼型的水动力特性也有一定程度的影响。5.将试验与模拟结果进行对比分析可知:当空化数相同时,随着攻角的增大,空化程度逐渐加剧,空泡更易脱落,脱落空泡的体积也相应增大,导致空泡的溃灭时间周期越长。脱落大空泡溃灭产生的冲击振荡极大影响周围流场,并且对翼型前缘附着空化的生长发育具有一定的抑制作用。由于试验过程中试验水中存在一定量的不凝结气体以及试验模型加工精度的影响,导致脱落空泡团簇体积相比于模拟结果更大,相应的空泡溃灭的时间周期更长。虽然试验结果与数值模拟结果存在一定的差异性,但整个过程基本趋于一致。6.通过微观分子动力学方法研究平行固体表面间液氩的空泡溃灭瞬态过程,发现不同驰豫时间、温度以及初始空泡核尺寸对空泡核溃灭均有一定程度的影响。结果表明:当驰豫时间较短时,空泡核完全溃灭的时间较短;当驰豫时间加长时,空泡溃灭的时间越长,但随着驰豫时间的继续增大,空泡溃灭的时间不再有明显变化。在一定温度范围内,随着温度的增加,空泡达到溃灭点的时间就越短,而当温度达到一定值后,随着温度的继续增加,空泡核达到溃灭点的时间基本保持不变。此外,在一定范围内空泡核初始尺寸存在一个临界值,当空泡核初始尺寸小于临界尺寸时,空泡比较容易溃灭;当空泡核初始尺寸大于临界尺寸时,空泡核较为稳定不易溃灭。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 课题研究背景
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 空化的研究现状
•     1.2.2 空化的危害与应用
•     1.2.3 水翼研究现状
•     1.2.4 微观空化研究现状
•   1.3 课题研究的目的和意义
•   1.4 本课题研究的主要内容
• 第二章 空化模拟技术
•   2.1 数学模型
•     2.1.1 控制方程
•     2.1.2 湍流模型
•     2.1.3 空化模型
•   2.2 Rayleigh-Plesset（R-P）方程
•   2.3 微观空化模拟技术
•     2.3.1 分子间相互作用势函数概述与选择
•     2.3.2 分子体系运动方程的数值解
•     2.3.3 温度和压力控制技术
•   2.4 本章小结
• 第三章 二维水翼非定常空化过程的数值模拟
•   3.1 计算模型与参数设置
•   3.2 模拟结果与分析
•     3.2.1 攻角变化对二维水翼空化过程中脱落空泡溃灭的影响
•     3.2.2 非定常空化过程空泡体积分数变化分析
•     3.2.3 非定常空化过程中压力波动分析
•     3.2.4 非定常空化过程中涡核分布及其速度分析
•     3.2.5 非定常空化流场中湍动能分析
•     3.2.6 非定常空化过程的时均监测点速度分析
•     3.2.7 非定常空化流场中水动力系数的FFT分析
•   3.3 本章小结
• 第四章 二维水翼空化过程试验
•   4.1 试验模型与试验台
•     4.1.1 翼型模型
•     4.1.2 试验台系统
•     4.1.3 辅助设备
•     4.1.4 空化试验过程
•   4.2 二维水翼空化过程的数值模拟与试验结果对比分析
•     4.2.1 6°攻角时翼型的空泡演变过程
•     4.2.2 8°攻角时翼型的空泡演变过程
•     4.2.3 10°攻角时翼型的空泡演变过程
•   4.3 不同攻角翼型的试验空泡演变过程分析
•   4.4 本章小结
• 第五章 微观空泡溃灭的瞬态特性研究
•   5.1 模拟参数设置
•   5.2 驰豫时间对空泡溃灭过程的影响
•   5.3 系统温度对空泡溃灭过程的影响
•   5.4 初始空泡核尺寸对空泡溃灭过程的影响
•   5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 研究总结
•   6.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间工作成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张国玉

导师: 付强,朱荣生

关键词: 脱落空泡,溃灭,翼型,试验研究,空泡核

来源: 江苏大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地球物理学,水利水电工程

单位: 江苏大学

分类号: TV136

总页数: 87

文件大小: 6118K

下载量: 128