文摘

本文的目的是评估三种流行的运输equation-based空化模型的预测能力的模拟部分表空化和非定常单/云围绕一个固定NACA66水翼空泡流。二维计算是由解决Reynolds-averaged使用CFD解决者只与n - s方程k- - - - - -ωSST湍流模型。当地压缩性效应被认为是使用密度修正湍流涡粘性。计算与实验验证了空化隧道在法国海军学院。水翼有一个固定的攻角°的雷诺数Re = 750000在不同空化数。没有修改密度,over-prediction腔关闭附近的湍流粘度降低了空腔长度和修改的空腔流特征。结果表明,重要的是捕捉水动力系数的均值和波动值,因为(1)的高振幅波动捕获的极端负载是至关重要的,以确保结构的安全,(2)需要捕获的频率波动,为了避免不必要的噪音,振动,加速疲劳问题。

1。介绍

在液体流动,气蚀发生如果当地压力低于饱和蒸汽压,导致形成雾状的泡沫(s)来缓解负压(1]。空化通常观察到当液压机器在高速运行或在非设计工况条件下,和仍然是一个限制因素,它的设计和操作。非定常空化的发生在水翼等船用推进装置、螺旋桨、射流可以导致压力脉动等问题,在负荷突然变化,振动,噪音,和侵蚀。此外,非定常空化通常是背后的主要物理现象在水力机械性能变化(2- - - - - -4]。出于这个原因,它是重要的能够准确预测空化的发展和演变,由此而来的对性能的影响。

进而,空化往往涉及复杂的湍流结构和相变动力学之间的相互作用与大型流体密度的变化和压力波动5]。这些物理机制仍然不是很清楚,因为复杂的多尺度,多相的现象。此外,还有巨大的计算挑战与准确性、稳定性、效率和鲁棒性仿真的数值算法不稳定,动荡的空泡流。

在空泡流的数值模拟,空化模型的选择中起着重要作用的预测,增长,分手,空化泡沫的破裂。近年来,重大努力已经发展的空化模型;最近的评论文章的例子可以发现在6- - - - - -8]。大多数空化模型假设同质和等温流和应用正压状态方程或输运方程来解决多相流混合物密度的变化。

在正压空化模型中,当地的混合物密度()被认为只取决于当地的压力:。正压空化模型的例子包括那些提出的(9,10]。最近的一项实验发现(11)表明,涡度生产是空泡流的一个重要方面,特别是在腔闭合区域。具体来说,这种涡度生产是气压的扭矩的结果:

很明显,如果一个正压状态方程,、使用、密度的梯度和压力总是平行,从而导致零气压的扭矩。因此,正压空化模型将无法正确预测空泡流的动力学(12),特别对非定常空化情况下,因为空化涡量生产的重要性。

其他受欢迎的方法来模拟空泡流输运方程模型(显微镜),解决了一个额外的输运方程的质量或体积分数的水蒸气,用适当的源/汇项(s)来调节之间的传质液体和蒸汽阶段。提出了不同的源/汇条款,包括流行的模型提出了(6,13- - - - - -15]。日本久保田公司等。13)耦合巨蜥的Rayleigh-Plesset方程方程求出局部空隙率基于假定气泡半径,因此它是适合建模的非定常空化。Merkle et al。16和昆兹等。14)采用人工压缩性与一个特殊的预处理方法制定解决多相巨蜥方程,体积组成的混合物,混合动力,组分体积分数方程。Singhal et al。15)开发了一种“full-cavitation模式”基于相变速率源自Rayleigh-Plesset方程的简化型泡沫动力学和地方流条件。Singhal模型的明显优势来自于对流方程的性格。Senocak和Shyy17]相比不同的TEM模型开发一个界面的基础(IDM)空化模型,它允许直接解释现有运输equation-based经验参数的模型。在TEM方法中,混合物密度是一个函数的传输过程。因此,密度梯度和压力不一定是平行的,这表明TEM可以容纳斜压涡度的一代。

本研究的目的是评估三种流行transport-based空化模型的预测能力的模拟拟定的和非定常空泡绕流静止的水翼艇。目的是提高理解的影响多相流湍流闭合模式,以及涡度场之间的相互作用,空泡动力学和水动力性能。数值模型是第一个。三种流行transport-based空化模型(此处命名为日本久保田公司模式,Merkle模型和Singhal模型为简单起见),- - - - - -SST湍流模型进行了总结,其次是介绍湍流粘度密度修正模型的修改。箔几何、流体网格和边界条件,其次是一个简短的总结的实验装置18)用于计算的验证。的结果分析了NACA 66水翼固定入射角()和雷诺数(Re = 750000)的情况下拟定的部分表空泡(),和一张与不稳定/云空泡()。研究空化模型及其相互作用的影响湍流建模、结果比较三种不同空化模型和不同湍流粘度的修改。最后,预测空腔长度的变化,升力和阻力系数在一个范围内空化数比较与实验测量。

2。Transport-Based空化模型

2.1。质量守恒定律和动量

巨蜥方程,在保守的形式,没有身体力量的牛顿流体和热转移提出了下面的质量输运方程笛卡尔坐标(19]: 在哪里混合密度,是液体的密度,蒸汽密度,是蒸汽分数,是液体分数,是速度,的压力,是混合物层流粘性,和分别是,液体和蒸汽动力粘度,然后呢是湍流粘度。下标(,,)表示笛卡尔坐标系的方向。源项和水槽在(4)分别代表冷凝和蒸发率。

2.2。日本久保田公司模型

日本久保田公司模型(13)假设一个常数核密度流体域。泡沫的增长和崩溃集群由气泡动力学简化Rayleigh-Plesset方程(20.]。空化过程是由传质方程给出了(4源和目的地)和术语定义如下: 在哪里成核体积分数,是泡沫直径,饱和液体的蒸汽压,是当地的流体压力。是蒸汽的速率常数产生的液体在一个地区,当地的压力低于蒸汽压。相反,恢复原状的速率常数蒸汽回液体地区当地的压力超过蒸汽压。所示(7)和(8),蒸发和冷凝条件都认为是成正比的平方根当地压力和蒸汽压的区别,因为日本久保田公司模型假设导出了泡沫动力学由简化Rayleigh-Plesset方程(20.]。在这个工作中,假定模型常数的值,米,,默认值的排名(5),因为他们的使用应该普遍的适用性。

应该注意的是,(7)和(8)不同于原始模型提出的(13),而是遵从的形式(21]。自蒸发率远高于冷凝速率,不同的系数需要冷凝和蒸发条件,所示(7)和(8)。此外,取而代之的是()蒸发内占成核密度的降低与蒸汽体积分数的增加。

2.3。Merkle模型

一些研究人员采用Merkle模型提出的(16)(例如,见(12]),提出了体积分数的形式和质量分数的形式。这是派生主要基于维参数为大的泡沫集群而不是单独的泡沫。因此,源和汇条款Merkle模型所示(9)是直接关系到压差,,而不是压差的平方根的日本久保田公司模型:

在这部作品中,将经验因素和使用的常量,它遵循Senocak和Shyy17]拟定的空化模拟的NACA 66 (MOD)水翼艇。定义为平均流量的时间尺度(12,17]。

2.4。Singhal模型

Singhal传质模型提出的(15)最初被称为full-cavitation模型。这个模型也是基于Rayleigh-Plesset方程的简化型泡沫动力学,但经验常数添加了考虑水和蒸汽之间的互动阶段。Singhal模型的推导过程中,泡沫的大小是由表面张力,和特征速度,这反映了当地的影响相对速度之间的液体和蒸汽阶段。类似于日本久保田公司模式,蒸发和冷凝条件都认为是成正比的平方根当地压力和蒸汽压的区别。Singhal模型假定的传质速率与当地湍流动能,。后(8),下面的方程表示修改的原始形式Singhal模型,考虑非冷凝气体的影响。蒸发和冷凝术语定义如下:

在这部作品中,经验因素,和(职责。,the destruction and the production coefficients for the Singhal model), have the following values:米/秒,m / s,表面张力系数被认为是N / m。蒸汽质量分数,定义为。应该注意的是,在目前形式的传质方程,经验因素和必须与m / s单位表达一致的尺寸吗和在(4),这是在单位公斤/ (m³年代¹)。

2.5。湍流模型和当地压缩性修正

数值结果显示本文利用商业CFD代码,执行它,解决巨蜥方程。的k- - - - - -海温(剪切应力传输)湍流模型,结合原有的优势和模型通过使用模型在墙附近,模型从墙上走(6]。的海温被发现给良好的边界层分离的特点,预测,验证预测的subcavitating本文所示的NACA66水翼绕流(22]。

应该注意的是,最初的巨蜥模型开发完全不可压缩单相流和没有用于流问题涉及可压缩多相混合物。所示(23(如),标准two-equation模型和的湍流涡粘性模型)overpredict后腔的一部分,从而导致overprediction湍流应力,导致空泡流可重入飞机失去动力。因此,回流不能跨越腔表,大大修改腔剥离行为。对部分单空泡在稳定流条件下,可重入飞机无法到达前缘将导致稳定的单腔,从而防止断裂和脱落的单腔。为非定常流条件,可重入飞机无法完全达到前缘会导致频繁的部分脱落后缘附近的空腔,这往往会增加腔脱落频率。

提高数值模拟,考虑当地的压缩性的影响两相混合物对湍流闭合的影响模型,Coutier-Delgosha [23]提出减少混合湍流粘度根据当地的液体体积分数用在(3),:

修改后的有效密度的变化,蒸汽体积分数,为不同的值如图1。

在[23),他们建议更好地模拟回流行为和蒸汽流的过程。在[24),相同的模型应用的模拟supercavitating水翼绕流,并获得良好的数值和实验结果之间的协议。相同的修改也被采用(25摘要]的NACA 66水翼考虑;他们使用和获得良好的协议与实验测量。

3所示。实验装置和描述

评估三种不同空化模型的预测能力与当地不同压缩性修正,数值计算与实验测量的比较NACA 66水翼空化隧道在研究所进行的法国海军学院。测试部分的横截面积为0.192 m²和1米的长度。流入速度范围3米/秒和15米/秒之间,和压力测试区范围30米栏至3酒吧。隧道流入湍流强度定义为/在进口的测试部分,约为2%。箔有均匀截面NACA 66厚度分布最大thickness-to-chord比率为12%,和一个项目弧形分布,最大camber-to-chord比率为2%。弦长是m和跨度m。水翼是不锈钢做的,表现得像一个2 d刚性水翼虽然是安装使用悬臂安装(1毫米)之间有一个小的气隙的自由端水翼墙和测试部分。压力测量进行了使用17嵌装压阻传感器(MI paa100凯勒AG) 2 - 075 - 010)的最大压力10条。传感器的位置是一致在和弦的吸力面在中跨水翼,从箔前缘的协调的后缘,增加0.1摄氏度。升力和阻力是使用电阻仪测量的水动力平衡射程150丹提升和15丹在拖。读者应该指的是(18,26]关于刚性水翼的附加细节实验装置和结果。实验结果显示本文从[18为例的部分表空化和(26)的情况下不稳定的单/云空化。

4所示。数值设置和描述

为了演示和验证数值模型,结果显示上述刚性矩形NACA 66水翼。所有的结果显示本文对应于水翼固定和主题的名义自由流速度m / s,收益率的moderate-to-high雷诺数。

液体的密度和动态粘度来公斤/米³和巴勒斯坦权力机构·年代,分别对应于淡水在25°C。蒸汽密度是公斤/米³和蒸汽粘度巴勒斯坦权力机构·年代,水的蒸汽压25°CPa。二维流体域如图2,对应于实验测试部分的高度在法国海军学院。计算域的范围大约5 c箔的上游和下游10 c模拟接近无限边界条件在进口和出口处标。无滑动边界条件对水翼表面,和对称条件对隧道的顶部和底部边界。入口速度设置m / s和出口压力设置为不同空化数,定义为,在那里是隧道压力。恒定紊流强度的2%被设置在进口边界和等于实验测量湍流强度。

所有空泡运行初始化使用完全润湿与稳态计算模型来避免任何蒸汽分数在初始时间步。然后隧道压力逐渐下降,直到达到特定的空化数。这项工作只有2 d所示结果。二维流体网格(如图250)是由120000个元素的结构化元素在衬托边界层,这是选择的保证,在那里第一个细胞的厚度的铝箔表面,然后呢是墙上的摩擦速度。边界层外的区域与非结构化三角形离散元素。在箔前缘网格细化执行,后缘,后地区。集成方案是一个二阶向后欧拉算法,计算和空间衍生品使用二阶逆风方案。网格收敛性和时间离散化详细研究了刚性NACA 66水翼的情况下固定的攻角在稳定流动;参见[22为更多的细节。

时序收敛的研究进行的部分表空化,的攻角与。图3显示时序收敛的预测表面压力系数,和测量值。误差线代表的最大和最小压力波动。使用Merkle模型生成的数值结果。最大的时间步长,年代,产生一个更强大的压力梯度腔关闭地区相比,测量值。这两个更小的时间步大小产生了非常相似的结果,而更好的测量值。因此,年代是计算从这里选择,使平均CFL数。

5。结果

5.1。部分单空泡

空化的影响模型和湍流粘性的影响首先分析的情况拟定的部分表空泡()。图4显示了预测蒸汽体积分数和湍流动能日本久保田公司获得,Merkle, Singhal不同空化模型湍流粘度值修改(见(11))。蒸汽比例为三个不同的空化模型轮廓和分别是第一和第三行所示图吗4;蒸汽体积分数为0(黑色)对应于纯净水,而1(白色)对应于纯蒸汽。相应的湍流动能轮廓图第二和第四行所示4,最低的白色,显示了湍流动能和湍流动能是最高的黑人所示。

为(没有湍流粘度修正),三个空化模型取得了非常不同的湍流动能的空腔,空腔闭合区域,进而修改了蒸汽体积分数和空腔形状,如前两行图所示4。Merkle模型的最低水平湍流动能蒸汽地区,导致较长的单腔相比其他两个模型。Merkle模型相比,日本久保田公司模型有一个更高层次的湍流动能的纯蒸汽,和一个短腔长度。可以看出生产和破坏条件Merkle模型(9)压差相关,而不是或日本久保田公司的压力差的平方根和Singhal模型(分别地。,(7),(8)和(10))。subcavitating流等效压力水平,生产的直接依赖和破坏条件的压力差导致的长腔Merkle模型。Singhal模型会导致蒸汽地区最高的湍流动能。这是因为蒸汽生产和破坏条件Singhal模型所示(10),是直接关系到当地的平方根湍流动能,它创建了一个非线性反馈机制,增加空腔中的压力梯度闭合区域,因此往往会破坏腔。

为,结果这三个模型的两排图的底部4显示一般减少湍流动能蒸汽地区和更不稳定的行为空腔后缘,相比。结果表明,密度修正湍流粘度都有不同程度的对三种空化模型的影响。Merkle模型预测类似腔长度和密度修正,虽然湍流动能的减少允许后缘的回流腔上游移动,因此增加了流动不稳定,导致腔的部分脱落。日本久保田公司模型显示空腔长度明显增加和更不稳定的腔后缘与修改。Singhal模型似乎是最敏感的湍流粘度修改。再一次,这是因为依赖当地的平方根的湍流动能在生产和破坏条件。当湍流动能完全抑制腔地区,这使得腔也越来越长,但导致不稳定的部分脱落蒸汽后缘结构附近的腔压力梯度高的地方。

不稳定的增加与增加值(11)是由于回流的发展由于减少湍流涡粘性水平腔关闭。图5显示了预测蒸汽部分轮廓和腔闭合区域的速度矢量获得使用Merkle模型(没有修改),,。与(图5(一个)),腔闭合区域的湍流涡粘性过高,防止回流的上游运动,因此腔完全稳定。与(图5 (b)),减少湍流粘度允许回流腔关闭地区开发和上游移动,导致部分脱落的腔。与(数据5 (c)和5 (d)),湍流涡粘性降低到接近于零的纯蒸汽,使得回流到腔前沿。随后,腔脱离前缘(图5 (d)作为一个云腔),然后流下游。这个完整的分手腔的前缘和不稳定转换云空化获得使用从实验观察的是不同的18),报道偏单空泡行为类似于使用获得的在。

书中建议的那样(7,27),混合产生的斜压转矩密度和压力梯度在空泡地区负责涡度场的改变,通过涡量输运方程是显而易见的: 在哪里和分别是流体涡度和速度矢量。层流运动粘度和吗湍流运动粘度。

第一项左边(lh)的(12)代表的变化率涡度在一个固定的点。第二项的lh代表的对流以及拉伸和倾斜涡度由于速度梯度。右边第一项(RHS) (12)称为气压的扭矩,零只在变密度流场。涡度的斜压转矩对应于一代不平等的加速度引起的不结盟的压力和密度梯度,例如,剪切层的生成速度加速度引起的打火机液(气)相对较重的液体(水)。右边第二项(12)代表了层流和粘性涡度的扩散。

检查空化的影响在涡度的生产/变更的情况拟定的部分表空化,的优势和比较图6不同的空化模型的不同值。正如所料,斜压项修改密度高的地区涡度场和压力梯度,即沿液汽腔附近的界面和关闭。斜压扭力的强度增加腔闭合区域附近,尤其是因为减少湍流涡粘性不稳定倾向于促进脱落的蛀牙。因此,涡度场修改,通过轮廓明显的涡度运输/拉伸。斜压项发现是最低Merkle模型,显示了一个流畅的腔,因此较低的密度和压力梯度。Singhal的斜压项是高和日本久保田公司空化模型,在斜压转矩的大小与空腔附近的涡度运输/拉伸项关闭,这往往会增加流动不稳定,正如前面观察到在图4。

数据7,8,9显示墙压力预测系数的比较,获得日本久保田公司,Merkle, Singhal空化模型,分别与测量值(18]。在每一个三位数,均值和波动的预测压力系数得到使用3和10所示。近恒压区域对应于前缘,部分单腔在吸入端,紧随其后的是一个突然的压力的腔关闭由于过渡回subcavitating流。一般来说,压力波动增加,特别是在腔闭合区域,增加值的降低湍流涡粘性和额外的斜压涡度生成/修改的扭矩。日本久保田公司空化模型(图7)已经非常稳定压力的行为没有修改(),它显示一个空泡区域。结果是差不多的10,显示一个恒压区域腔闭合,较大的压力波动。Merkle模型(图8),另一方面,显示微不足道的差异之间的预测压力系数不同在压力波动值除了增加腔关闭。此外,Merkle压力分布的预测模型在良好的协议与实验测量。Singhal模型(图9)显示了不同的最大区别值的显式依赖湍流动能,从而改变与湍流涡粘性以及斜压涡度代/失真的扭矩。因此,作为增加时,空腔长度(恒压地区)Singhal模型预测的减少。一般不稳定是观察到沿整个吸力面压力分布。此外,预测压力系数与实验测量显示更大的差异相比,日本久保田公司和Merkle模型。一般来说,获得的结果与Merkle空化模型更好的匹配实验。

5.2。非定常单/云空化

评估三种不同空化模型的可预测性不稳定表/云空化,结果这一节所示的情况、Re = 750000。应该注意的是,日本久保田公司模型不收敛的情况年代。作者认为这是由于高的价值在(7),这使得计算不稳定。因此,结果显示在这种情况下仅供Merkle和Singhal模型。

在、Re = 750000报道,非定常单/云空泡在26]。数据10和11显示蒸汽的演进分数,湍流动能和涡度和分别与Merkle Singhal空化模型。在全球范围内,结果显示显着减少的湍流动能腔地区,特别是在腔关闭和腔长增加值的减少湍流涡粘性。Merkle模型(图10),这是观察到的水平涡度密切相关的蒸汽部分轮廓和湍动能的分布。为空腔发展时,湍流动能的减少导致附近的涡度增加(图10 (b)),它允许回流形式和移动上游(),同时允许腔扩大箔后缘;随后,腔优惠和电梯在前缘()形成一个大空化云,然后借对流传热下游。Merkle模型,空腔流频率大约是3.5赫兹,同意测量值,如表所示1。相反,,周围的空腔部分减免midchord(见蒸汽分数图10 (),在),这限制了最大腔长度,增加了放射频率约为4.0赫兹,见下表1。此外,由于存在的云空化箔后缘附近(图10 ()在和),overprediction湍流粘度没有密度校正()抑制逆时针后缘涡的形成,这改变了涡度在箔模式,以及对流的云后。当修改应用(),云中的湍流动能的水平较低,它允许逆时针后缘涡形成云空腔(图并与之交互10 (b)在和)。

如图11Singhal空化模型更敏感,湍流粘度修改。没有修改(),附近的湍流动能水平很高腔关闭(见图(11日)),有限的单腔的长度约(),腔部分减免(),其次是连续流较小的蒸汽结构()。腔似乎更不稳定,比预测的Merkle瞬态空化模型,如图所示的散射近壁涡量分布(见图(11日))。当修改应用(),Singhal模型还预测空腔长度的增加,虽然一般腔行为是比这更不稳定Merkle预测的模型。周围的空腔休息。但是,它不脱落为一个大的空腔;相反,尾部的空腔被分解为多个小云蛀牙,如图11 (b)。因此,脱落频率(约Singhal预测的模型赫兹的和赫兹的)远高于那些Merkle模型和实验测量,不同意总结如表1。的湍流粘度修改允许后缘涡发展早期,这与云计算腔同时剥离后。

图12显示了斜压涡度运输和转矩/拉伸条件,Merkle和Singhal模型。两种模型,斜压转矩沿腔的地区集中休息,虽然震级相比似乎小涡度运输/拉伸。然而,空腔涡量分布的影响显然是明显的涡度的重要修改运输/拉伸项(图12)和涡度轮廓(数字10和11)。因此,空泡生成之间的互相依赖/生产和涡度生成/修改由于气压的转矩不是微不足道的,尤其是在对腔的影响稳定和放射频率。

基于可用实验数据提出了(26],吸力面载荷的分析可以计算加法的压力系数沿吸力面。近似吸力面升力系数可以写成: 在哪里压力系数的位置吗,是无量纲连续两个压力传感器之间的距离。共有10个压力传感器被放置在吸力面中跨的箔(22]。作为比较,相同的程序应用于数值计算派生吸力面升力系数。应该注意的是,由于流主要是连接在压力面,总升力系数的变化应该由吸力面动态,这是由吸入端升力系数。

如图13之间,一个公平的比较观察实验测量和数值计算获得使用Merkle模型。山峰一般对应于时间实例观察最大腔长度时(在图10 (b)),卸载阶段对应于空腔的开口。结果表明,卸载阶段的速度Merkle模型预测的速度比测量值。这种差异可能是由于不准确的预测对流/杀伤性的蒸汽云,它是由定义非常短暂和敏感的蒸汽的生产和破坏率,和空腔之间的交互通过斜压涡度场扭矩。然而,脱落频率Merkle预测的模型匹配的测量频率赫兹。如表所示1,空腔放射频率更高因为腔短,经历后缘部分脱落。因此,重要的是要考虑混合物密度变化的影响计算的湍流粘度和附近的空腔。

如图14Singhal模型显示了一个高得多的脱落频率,赫兹,比3.5赫兹的频率测量。Singhal模型预测的高频是因为连续的蒸汽沿水翼表面(见图11 (b)),这极大地扰乱墙压力分布和导致的生成通过斜压涡度扭矩(见图12 (d))。结果,预测吸力面升力系数显示了更高的脱落频率和振幅测量值相比要低得多。结果见表1确认了Singhal模型如果放射频率较高,没有湍流粘度修改。

应该注意的是,捕捉和比较的重要性均值和波动值明显的数字13和14。如数据所示,虽然意味着吸力面Merkle和Singhal升力系数预测模型大致是相同的,并同意与实验测量,波动的振幅和频率预测的Singhal模型非常不同于Merkle模型,与实验测量相比更好。

图15显示了比较预测蒸汽分数使用Merkle空化模型获得的轮廓和照片中给出的实验(26]、Re = 750000。白色的蒸汽部分代表纯蒸汽,黑色代表纯水。预测流流线也促进可视化流的动态显示。类似于吸入端加载的比较,获得使用Merkle模型与数值预测是在良好的协议与实验。腔扩大到箔后缘(来),其次是分手箔前缘附近由于回流。泡沫混合腔之间的交互和后缘涡是观察到和,紧随其后的是完整的对流云中腔起床。

5.3。比较的测量和预测水动力载荷系数和空腔长度

数据16,17,18显示测量和预测规范化腔长度,升力系数和阻力系数在一系列的空化数。所有三个模型得到的数值结果最好的相比,这与实验测量,如前一节所示。

图16显示了预测最大和最小空腔长度,随着测量最大腔长度。空化《盗梦空间》是观察到计算和实验。为最大和最小值相等,表明稳定空泡。应该注意的是,所有三个空化模型给稳定的空泡,非常相似的结果,都同意与实验测量(明星符号)。为腔变得不稳定,表示最大和最小值不同的空腔长度,和三个空化模型之间的差异可以观察到。结果表明,腔直接减免的前缘日本久保田公司模式,接近零值表示的最小长度由开放的圆图16为。然而,实验观测表明部分表之间的空化的存在,它的特点是与一个稳定的蒸汽腔的部分打破地区在腔前沿[18]。如图16Singhal和Merkle模型与实验观测吻合较好,但不是日本久保田公司模式。空化数的进一步减少,空腔的打破走近了衬托前缘。在,非定常单/云空化发生,所示数值和实验结果报道在前一节中。应该指出的是,衡量最大腔长度与所有三个空化模型的数值。然而,随着明显通过前一节所示的结果和表1,即使最小的和最大的值之间的空腔长度吻合较好Singhal Merkle空化模型,脱落频率是不同的。应该注意的是,日本久保田公司模型不收敛由于过度波动,因此结果是只显示的在数据16- - - - - -18。

图17比较了测量和预测升力系数(,在那里升力)对不同空化数。升力系数增加略小的发展,前缘和部分单空泡()。电梯的增加是由于吸入效应由小前缘空化气泡引起的高压力梯度。随着腔的增长与减少空化数(例如,,),升力系数减小。轻微的升力系数增加和随后的升力系数下降是被Merkle和Singhal模型。数值预测显示大的升力系数的波动表示的误差,由于不稳定腔动态。数值结果显示良好的协议与实验测量在拟定的空化和完全润湿流机制。这三个模型的预测升力系数略小于测量值空化流态,在部分表。在这个范围内,三种空化模型之间的差异相对较小,与Merkle模型显示最优惠,和Singhal模型显示最有利的比较。日本久保田公司模型还预测更高的波动相对于其他两种模型在非定常空化流动制度,并与空化数减少波动增长。

预测和测量阻力系数的比较(,在那里是阻力)如图18。所有三个空化模型低估了阻力系数,但所有这三个趋势与实验吻合较好。应该注意的是,拖的underprediction可能归因于3 d效果,向下运动和墙边界层效应倾向于增加阻力。结果表明,空化的发展阻力显著增加,特别是对于非定常空化。的结合减少升力和阻力的增加会导致效率下降,这对空化是一个经典的问题。应该注意的是,波动的大小的升力和阻力系数较高Merkle模型比Singhal模型,这是符合结果如图13和14。

6。结论

三种流行的空化模型的预测能力的预测研究空泡绕流NACA 66水翼固定入射角(),与部分单空泡(),和一张与不稳定/云空泡()。比较预测和测量腔长度和水动力系数的空化数的范围也会显示出来。除了不同的空化模型的应用,不同级别的密度修正湍流粘度应用于研究空化之间的交互和湍流流动。这个密度校正的目的是考虑到当地的空泡地区压缩性的影响,尤其是在靠近腔闭合,在标准湍流模型倾向于overpredict湍流粘度,这将修改腔流动态。

一般论文的结论如下:

(i)密度改性有助于减少空泡地区动荡的粘度,减少湍流动能的腔,腔周围以及关闭。湍流粘度的降低,可重入飞机允许开发下面腔和上游移动,同时允许向箔后缘腔扩大。因此,蛀牙会稍微更长和更不稳定的密度修正。这导致一个更好的比较与实验测量和观察的拟定的空化情况和非定常单/云空化情况;

(2)密度修正湍流粘度不同的空化模型有不同程度的影响。Singhal模型是最敏感的湍流粘度改性,已overpredicted一般不稳定的显式依赖源和汇条款湍流动能,增加密度校正将进一步增加整体不稳定,从而导致更大的差异相比,实验测量。另一方面,Merkle模型似乎是最不敏感的湍流粘度改性,并倾向于比辛格尔和日本久保田公司模型更稳定,尤其是对非定常空泡流。除了Merkle密度校正的模型有助于避免overprediction湍流涡粘性,可重入飞机可以正常发展,并因此导致改进对比预测和测量;

(3)斜压扭矩负责生成额外的涡度由于剪切流由重较轻的蒸汽和液体之间的不平等的加速阶段。因此,高的地区,不结盟的密度和压力梯度,例如,沿液汽接口和腔闭合区域,修改涡度场空化,进而改变了空泡动力学。腔之间的相互依存和通过斜压涡度动态扭矩不是微不足道的,尤其是对非定常空泡流。斜压转矩的大小会增加功率因数在密度修正湍流粘度(11),这反过来又增加了不稳定流动,特别是靠近腔关闭。新的详细的实验测量和空泡脉动速度场地区是需要调查的有效性密度修正,和斜压转矩的重要性水翼的空泡反应;

(iv)结果表明,在所有三个空化模型预测与实验测量的比较好拟定的部分单空泡范围,预测腔脱落频率和负载波动预测的三种空化模型是非常不同的在非定常单/云空泡范围。此外,空化模型的数值稳定性非常敏感的依赖性冷凝和蒸发率的权力压差项默克尔模型(1.0和0.5在日本久保田公司和Singhal模型),这可能是由于空化之间的相互依存和通过斜压涡度动态扭矩。Singhal模型不同于日本久保田公司和默克尔模型,因为它显式地取决于湍流动能的平方根(见(10之间的耦合效应),从而增加湍流流场的涡量分布和空泡动力学,因此往往会破坏腔。因此,预测腔脱落频率远高于测量值,和负载波动的振幅比测量值要低得多。身体上,正如[28),过渡到湍流将扫除附加蛀牙。因此,显式依赖水槽(蒸发)术语的湍流动能不同意实验观察了(28所示),也与实验测量。然而,额外的详细实验测量的平均和脉动速度场,以及蒸汽的时间历史分数分布腔需要真正量化各种空化模型的有效性;

(v)一般来说,默克尔模型的密度修正展示了最好的协议与实验测量和观察对稳定和不稳定空泡流,特别是在腔的脱落频率。不稳定的预测减少表/获得使用Merkle云空化模型匹配的测量值3.5赫兹。日本久保田公司模型无法收敛的情况下不稳定的单/云空化,和Singhal模型预测更高的腔脱落频率和振幅波动测量值相比要低得多;

(vi)分析表明,破坏和生产Singhal模型中的系数并不是无量纲参数,而是应该有单位的速度一致的单位质量输运方程;

(七)结果显示捕获的重要性均值和波动的水动力系数值和空腔长度的情况下不稳定的单/云空化,因为(1)波动平均值的顺序相同,因此波动至关重要的知识获取的极端负载,确保结构安全;(2)需要捕捉的频率波动,这是至关重要的,以避免不必要的噪音,振动,加速疲劳问题。此外,它也是比较关键的振幅和频率的波动除了平均值在评估数值模型的准确性。

本文有助于提高理解三种流行的空化模型的预测能力。密度修正项的影响对不同的空化模型及其影响空化动力学、涡度场和力系数进行了调查。需要额外的研究来更好的理解当地的压缩性和斜压扭矩的影响空化和动态,以及湍流涡度的领域,特别是在有空间/暂时不同流入的情况下,并与刚性的情况下和/或弹性体运动。这样的研究是很重要的,因为腔和负载波动的准确预测是至关重要的在分析水稳定性、疲劳、噪音、振动、液压机械和侵蚀特征。

确认

作者欣然知识美国海军研究办公室(ONR)和Ki-Han金博士(项目经理)的金融支持通过批准号n0014 - 09 - 1 - 1204。