文摘

computational-fluid-dynamics-based建模努力捕捉流过一个轴流式喷水推进器。努力了射流流量在一个广泛的流量系数和cavitation-driven崩溃。并给出了计算两个值的空化流动系数通过一系列的操作入口总压降低。计算结果与实验测量。吸力面和tip-gap空化模式相比,实验照片。提出了计算解决方案通道稳定和周期性。计算结果驱动的迭代方法应用于促进耦合的转子,定子,流入和流出管道。

1。介绍

轴流射流是一种船用推进配置承诺提供一个平衡的鲁棒性和性能特别适合高速工艺。由于控制,内部自然,他们可能从模块化汽车设计的角度来看的吸引力。当然,为了实现性能,他们必须结合一个设计良好的入口,喷嘴和保形船体。由于其内部流动特性,射流预计将维持抗气蚀,是服从高级概念,如推力矢量应该表现出广泛的名义上效率高,并且可能假设实现在所有类型的表面和水下海洋车辆。似乎,表面工艺,只有进口必须被淹没。然而,气蚀和其他因素可能驱动管位置。

通过射流流场的推进器,然而,固有的不稳定和三维。此外,所有的导管推进器,排水等大量的交互影响剪切流。相对开放的螺旋桨,绕流中心和驱动轴的影响,管道和裹尸布,提示差距,静叶栅互动增加流动路径的复杂度,降低最高效率。因此,猜测,导管推进器性能更强烈地受到剪切流的影响,固有的不稳定,比公开的螺旋桨旋转的结构进行交互。

船用推进器,空化由于地方压力凹陷是一个持久利益的条件。通常,空化对推进器性能是一个限制条件。这可能是由于一个绝对水平不得超过装货,导致限制推力,推力分解。

气蚀破坏,重大变更推进器扭矩和推力由于空化,可能与空化窒息,至少导管透平机。空化窒息在气动窒息表现非常相似。使用一个简单的节流装置如喷嘴,并给予一个入口水库以固定总压强和温度,有一个最低出口背压下,进一步降低未能增加质量流量通过喷嘴。气体动力学的最大质量流量的同时,声波流喷嘴喉部。空泡的最大质量流量伴随着出现空化喷嘴喉部。然后在喉咙物理最低工作压力。任何试图增加流量,不增加喷嘴总压强,会导致增加蒸汽的数量在喉咙,减少有效流面积,从而增加了喉咙平均速度,不可持续状态。这是描述Mishra和贝利1];令人窒息的发生,一旦蒸汽喷嘴喉部下游存在。尽管他们关注当前的研究领域,微尺度喷嘴,他们指出,同样令人窒息的事件发生在任何大小的设备。空化的简单描述窒息在第8章给出Brennen [2]。

一个三维多相Reynolds-Averaged n - s(跑)计算工具被应用到轴流射流计算。此前,昆兹et al。3和林道市等。4,5)提出了稳定和不稳定空泡流结果使用相同的运行方法,保护与transport-based质液体和蒸汽阶段。Athavale et al。6]类似的齐次跑的方法应用于一个轴流射流,离心泵,火箭泵诱导物。虽然详细对比实验是不包括,这项工作表明均匀多相跑空化建模方法的适用性导管涡轮机。Coutier-Delgosha et al。7]提出了湍流模型的评估,包括的延伸k- - - - - -ω可压缩流的模型。均匀的方法与基于使用正压模式的相变。他们的工作表明改进为空泡流湍流建模中的应用。林道市的结果等。4)代表的流unducted船用螺旋桨的广泛推进比率通过cavitation-driven推力分解完全湿操作条件。Mejri et al。8通过火箭]模拟空泡流泵诱导物使用类似均匀RANS-based模型。虽然缺陷被发现在模型结果,目前还不清楚他们是否由于网格分辨率或建模方法本身。然而,定性协议被发现之间的实验和计算。在施罗德et al。9)基于混合均匀跑流量的计算解决方案提出了喷水推进器的流速范围。解决方案优于测试数据。在林道市等。5),稳定的和不稳定的推进器流,包括非均匀流入和射流流动。解决方案使用打翻,获得均匀多相跑的方法。

在流建模,气液界面曲率小,压力和速度大约持续整个界面。因此推测的非平衡态界面动力学可以忽略不计大小,表面张力的影响并不是。因此,大规模的蛀牙意味着驯良的均匀的方法;蛀牙和感兴趣的特性将解决计算网格。尽管如此,这种流动一般是分离流的不稳定和控制地区。空化开始,物理小气泡成核是至关重要的,这种方法就不合适。云空化、空化情况下足以推进器水动力性能的影响,然而,这种均匀,单液,多相的方法是合理的。

在任何情况下,多个叶栅涡轮机与CFD建模,有一种诱惑,减少复杂性和计算所需的解决方案工作从完全非定常三维条件下解决这个问题。一个方法减少这种复杂性,同时仍然忠实地建模三维叶栅流物理是一个所谓的驱动迭代。在这种方法中,假设每个叶栅流场周期性,与叶片的数量一致。周期计算网格,每个叶栅的代表,因此有足够的程度提供合理组装,平均压痕边界条件,每个叶片的上游和下游。所有叶片通道耦合在一起,farfield,使用贯流式网格扩展建模域的奥妙。贯流式电网可能3 d或轴对称根据需求捕捉上游和下游流。贯流式网格,力量和堵塞流由于叶片与轴对称的身体力量和堵塞术语表示。这些力量得到的3 d叶片通道解决方案,包括在叶片从他们的物理位置。在这种情况下,叶片通道网格必须重叠相邻叶,包括重叠叶栅的身体力量。迭代方法的一部分是由于需要匹配一个凸量从推进器的解决方案,如推力,从farfield数量发现解决方案,如拖。在这里提出的解决方案,模拟流在一个隧道,因此解决方案是简单聚合连续更新的体力和堵塞字段,直到连续迭代导致微不足道的流,身体力量,堵塞的变化。

大量的出版物出现呈现传质模型,适合大规模的空化的建模3,10,11]。所有这些经验模型试图捕捉界面动力学的影响传质同时保持地方传质率仅仅依赖当地的压力,和液体和蒸汽质量分数。

2。制定和解决方法

解决局部均匀多相流守恒方程,结构化,用正式的三阶空间精度采用有限体积公式。微分形式的计算模型中给出了笛卡儿张量符号(1)。相应的保守的变量,原始变量,通量向量,和源项也定义在(1)。这个词预处理方法的是(12]。稳定的情况下,在旋转参照系和建模包括认为周期性单转子叶片。非惯性,旋转坐标系术语表示在源向量(1)。

数字捕获非常低马赫数,流动,也就是说,不可压缩流,固有的解耦物理可能通过各种策略来解决动量方程和连续性方程(13]。在这里,一个预调节器应用于产生状态良好的非粘eigensystem。预处理矩阵出现在(1)在Venkateswaran派生et al。12]。修改后的非粘eigensystem然后,理想情况下,占主导地位的收敛拟时间系统。提出的耦合方程(1)被称为等温。液体和气体等温压缩形式承认的物种,但只有当每个物种密度可能是一个独立变量的函数,当地的压力。因此每个阶段或物种被认为有一个恒定的速度。然而,混合声音速度和密度是强烈依赖于当地的体积分数组成。总能量保护扩展,承认对温度的依赖关系属性,目前的配方已经同样派生(14),是有用的考虑到极高速流动和其他热的影响。这里提出的解决方案要么假设无限小(10⁻¹⁵)或非常小(但身体正确的)自由流马赫数。为稳定计算低身体自由流马赫数条件下考虑,预计可压缩性的影响是微不足道的。然而,预计,即使对于非常小的自由流速度,非定常空泡的计算可能会影响到压缩系数(12]。对于典型cloud-cavitating流,压缩会影响回流的动态和需要捕获腔崩溃和冲击的动力学形式附近的关闭。与高保真捕获这样的不稳定事件类似,这里给出的数值框架,研究人员已经完全忽视了物理损耗建模,依靠数值扩散(即。,数值通量和基于网格的截断误差)来提供足够的耗散(15]。基于以前的工作(3,4,21),当运行方法提供足够的分辨率搜索部队涡轮机和平均值腔大小、预计的不稳定和可压缩效应可能被忽视的: 注意,动量守恒包括源项代表旋转参考系和其他身体力量()。方便在这里使用的配方的形式呈现连续性混合质量守恒定律。这是明显的(1)。这里给出结果,只有两个阶段被认为是,液体和蒸汽。因此,下标是指液体和是指蒸汽。还要注意蒸汽质量守恒方程包含了传质源项。当其他气体或液体建模作为当地的混合物,其包含的形式(1),很简单。混合密度的定义是基于局部体积平均密度: 粘性应力张量的一般形式的混合物: 在(4),必要的湍流和分子混合物粘度的定义。应用,下标在哪里表明气相混合物数量。是明智的,分子混合物粘度是基于局部体积平均水平。涡流粘度定义符合本地均匀混合假设: 关闭two-equation湍流模型采用(5)。在每个拟时间步骤,这些都是耦合的方式解决但隔离从流方程。一个混合基于斯伯丁的工作[壁面函数模型16)也使用。使用这种方法,一系列壁面log-layer到粘性子层的间距应该是可以接受的。解决方案包含子层网格分辨率,阻尼参数控制建模生产和涡流粘度在靠近壁面区域的流动。否则,它方法统一17]。标准值为其他常数,和,应用18]: 大规模液体和蒸气状态之间的转移是处理简单的有限速率的关系(在(1))。为结果,昆茨模型(3应用于提供传质条件(1)。transport-based传质模型,介绍了空泡流的局部均匀跑模型在文献中。虽然这些模型的代数形式相似,值得注意的是,Morgut和高贵的19]试图相当比较和评估他们的差异和相似之处的数值实践。他们的结论表明,几乎没有差异与这些模型预期的结果。然而,适当的应用模型和选择他们的常系数极大地问题。在昆兹模型,提出了(6),它是适当的状态,成核过程,通过计算网格的分辨率有限,是假设,而蒸汽增长受限的发生时间和长度范围确定的解决物理流。冷凝同样发生在时间尺度由假定流的物理和界面区。涡轮机械问题,时间尺度,,决定从平均对流速度和叶片尖端半径。剩下的系数是指定为和:

3所示。结果

计算结果得到了一个轴流射流。实验数据,在隧道内空化,被记录在一个范围的单相和空泡条件(20.]。射流计算建模在时尚隧道大约代表的空化实验。在典型的水洞实验,为了捕捉气蚀破坏,转速和流量尽可能接近指定值而绝对的试验压力是调制的。这样,空化数的参数效应(表面工艺,自由流速度和吸头)上操作可能追究而其他特定的操作条件保持不变。感兴趣的操作条件是给定的流量系数(即。相对叶片尖端气流角)和雷诺数。得到数值结果在单相操作条件给定的流量系数和雷诺数。随后空泡的解决方案被发现使用初始条件第一次获得单相。降低空化数条件计算,使用的初始条件通常是那些在前面,略高,空化数和相同的流量系数。所有的解决方案使用稳定的经营形式,是获得初始条件最初的在数值上。计算不准确的时间。

应该注意的是,隧道条件往往打破严重的空化和计算结果不能完全保持忠诚。为了模型的实际流速对于一个给定的空化条件下,发生在给定的水隧道,以更大的忠诚,一个需要包含一个表示整个隧道的流量特性,并允许流量相应地调整。因此在严重的崩溃,雷诺数和流量系数只与选择试验病例数。然而,我们将看到,分解及其一般流特性的起始仍然相当不错了。事实上,通过网格完整的隧道流路径,使用驱动迭代方法,输水隧道的影响和完全耦合的流关系可以自动捕获。这里只有规定的流量系数,预计将在推进器测试的理想类型,被抓获。对于所有建模的情况下,被视为完全湍流流动。排水建模,在规定流量系数,从设计到cavitation-driven推力分解条件。

正如一直所说,这里给出的计算结果是基于解决方案的稳定形式的控制方程。尽管呢法,它是在拟时间游行和time-accurate结果没有得到。在流的限制条件,当稳定的解决方案集成失败,很可能不稳定的集成可以应用于进一步研究流的本身的性质将很大程度上不稳定。不稳定时特别期望大空想的区域出现在解决方案导致大旋涡的结构是随着蒸汽流。人们很容易调查如此大规模腔不规则,如已通过(21使用分离涡模拟方法。然而,现在看来,对于旋转机械,任何调查流不稳定应该包括静不稳定的互动。这将需要一个不稳定的解决方案的叶片通道完全透平机没有周期性的假设。

3.1。AxWJ-2射流泵

一个轴流射流泵(AxWJ-2)设计,制造,测试和来自约翰霍普金斯大学的研究人员和海军水面作战中心Carderock分部(NSWCCD)。总压头上升和轴扭矩的测量流经泵已流条件通过空化故障的范围20.]。单相和空泡流这个泵已经计算建模。这里给出的结果是一个测通道。这里给出条件,定子行建模与身体力量和堵塞。一对驱动迭代用于完全轴对称隧道流,三维转子,定子计算和三维流动。因此,正确的,意思是,和集成测试区入口边界层的影响,定子转流,定子堵塞,和测试部分出口扩散,和边界层,例如,在转子流捕获。然而,这些影响是压痕平均,只有空化在转子流道建模。

3.2。网和单相的结果

在图1计算网格用于获得射流流的运行评价。网格图的组成元素驱动迭代策略。这个词驱动因为相同的使用方法可能适用于获得正确的操作条件的安装在船舶推进器。然后轴权力推动船将所需计算确定。这里适用的方法试图正确几流的三个图网格。这水隧道配置,它假定流合理假定为轴对称,一小段距离射流泵的上游和下游。因此,三维,但稳定,对转子和定子和周期性流动,彼此,和上游和下游隧道流,一个轴对称网格和流程解决方案是合适的。解决贯流式网格,图1(一)提供了速度流入和流出压力资料,转子和定子电网,见图1 (b)。贯流式网格解决方案,体内力量等于压痕总结部队在转子和定子叶片应用。转子和定子叶片的力量找到解决方案的三维周期性流动计算网格图确定1 (b)。在图1(一),由于转子和定子的力量应用于相应的标签,概述了区域。流的连续迭代涉及解决方案在三个网格。每个解决方案后,更新的速度流入和流出压力资料(从贯流式获得网格,图1(一))和身体力量(获得、职责。,from the rotor and stator meshes, Figure1 (b))。迭代完成更新的概要文件时不改变明显与逐次迭代。

实验测量的位置也大致表示贯流式网格,图1(一)。在建模的情况下隧道流,轴对称贯流式电网主要是用于获得现实的入口速度概要文件和出口压力资料,既是半径的函数,转子和定子流域。此外,贯流式网格获得综合性能信息用于排水,如头上升。转子和定子流域包含大约200万个网格点。转子电网包括tip-gap地区。适应转子和定子叶片的近距离,有必要网格重叠定子转子通道,反之亦然。这允许一定轴对称流出边界位于下游的转子通道出口,产生一个更适当的尾流和加载的转子叶片比典型的混合平面边界条件。因此该地区定子叶片的转子叶片网格重叠区域包含定子叶片的身体力量和堵塞。

在图2与实验测量(EFD) NSWCCD 0.9144(36)水隧道,基于单相计算流体动力学(CFD)——的性能,在电力和建模AxWJ-2 head-rise系数,给出了流量系数的范围。给出了性能的无量纲流量,上升,负责人和力量,。CFD head-rise结果给出了使用三种不同的测量位置和集成的假设。最大的头上升,基于集成总压强(位置显示在图1)是利用近表面积分得到。基于表面的完全集成的头上升在正确的输水隧道测量位置。最后,一个恒定的速度剖面(即。,slug flow) assumption-based head rise also using the correct water-tunnel pressure measurement locations is given. Note that computed performance based on the appropriate measurement locations, with slug flow assumptions, yields computed head rise and power both in excellent agreement with the EFD. Clearly, the non-isentropic effect of mixing is evident in the CFD and measured water-tunnel results. The computed head rise was quite sensitive to the chosen CFD measurement locations (indicated in Figure1)。引用物理测量是基于隧道壁静压水龙头和弹状流的假设。因此,类似的假设必须比较的目的时隧道测试头上升CFD的估计。这些结果和对输水隧道测量的理解过程是得益于NSWCCD指导人员。最后,请注意,在低流量、高叶片加载条件下,性能报告的范围外Chesnakas et al。20.),计算流似乎打破由于巨大的吸力面流动分离(摊位)。

3.3。空化故障

在数据3和4,空化故障的综合影响策划的和依赖一个流入空化系数,。介绍了CFD和工艺流程图。结果名义上两个流系数提出了。然而,使用EFD结果包含一系列流系数随着质量流量通过推进器的阻力和泵功率取决于整个隧道。因此,使用EFD数据包含流速下降隧道压力减少,空泡流分解。明显的性能和初始峰值功率与空化数减少了CFD。在图3相对较高的流速,完整的权力增加和减少故障捕获。绝对是有区别的峰值在电力隧道压力下降,但整体协议,特别是考虑到流量的差异随着隧道流分解,是好的。然而,较高的加载条件下,计算解决方案,在图4是更发散(扭矩)使用EFD数据。随后大量空泡(EFD流速急剧下降故障),计算能力简单地增加价值减少的压力。进一步计算隧道在较低压力没有完成。注意,使用EFD的散度和CFD在崩溃也由于隧道流率的下降(),蒸汽形成限制。

在图3在空化数低于约(虚线图中绿线),流量系数越高(),轻叶片加载条件下,计算差异,实验的差异很明显在低流量空化数的条件。工艺流程图,没有数据在。因此,这表明是一个限制数据的价值,因为它似乎在CFD也是。这个限制是体现在CFD结果不可能收敛稳定的解决方案在一个较低的隧道压力同时仍然保持流量()。蒸气的形成很可能是令人窒息的。

最后,在正常和高负载流系数(在数据3和4),无量纲头上升(相当于推力)似乎好了,即使在分解CFD和使用EFD流速发散。

在图5从Chesnakas、照片等。20.)和CFD结果空泡条件提出了一起在某种程度上意味着强调tip-gap地区空化。指出,在比较(图5)协议的模拟空化技巧差距包括泄漏vortex-influenced空化似乎不错。注意,这些照片都是通过一个聚碳酸酯该腔体的轮廓与泵壳的窗口。tip-gap地区大约14计算细胞应用技巧和套管之间和42跨叶片厚度。

在图6、CFD和使用EFD转子吸力面空化模式比较在两隧道压力条件大致相同的高负荷的流量系数()。再一次,使用EFD照片来自Chesnakas et al。20.]。计算模式进行了说明和一个常数等值面蒸汽的体积分数等于0.5。就像看到tip-gap地区计算和使用EFD吸力面腔模式之间的协议是不错。

3.4。空化窒息

射流在空泡流的情况下,建议最小流量区域存在转子通道出口附近导致缩脉的效果。最小流量区域是一个简单的曲面,一个假设的边界跨越缩脉的转子通道的位置。因为真正的透平机流三维不稳定,很难精确地定义这个表面。然而,它是一个有用的、适用的模型。考虑到流经转子通道,平均(平均)静态压力将至少缩脉。因此,如果操作(转子进口总)压力逐渐减小,最小流量区域的位置(最终)必须包含一个区域的空化发展。由于地方差异将转子通道内流动,如在转子叶片的吸力峰,空化之前可能存在于其他地区发展中缩脉。然而,当巨大的空化达到缩脉,这正好与空化窒息。

图7包含实验结果从Chesnakas et al。20.]。结果有三个不同的下游喷嘴开口,导致三个不同公称流量(单相流)。因此蒸汽形成之前,限流特性出现在下游喷嘴收缩,标示在图7(没有收缩),100%,90%,和80%的喷嘴。无量纲流量,,策划反对,进口空化数的一种形式,或隧道进口压力。限制(最小值)入口压力条件下,这些结果似乎说明了窒息现象观察到的测试数据。注意,如测量值在1.1以下,减少流量急剧下降。在更高的值,三个不同的流动条件()存在,但结果崩溃几乎垂直分组(进气总压)是减少。这表明,泵运行时,压力下降,蒸汽形式处于关键位置。因此限制流动状态存在于转子和定子叶片部分而不是在下游喷嘴收缩。这是符合空化窒息。

图8包含在额定流量计算和实验结果,。这些结果提出的功率系数随进气总压,也就是说,。计算结果达到一个极限。融合解决方案不可能获得较低的值对于给定的流量系数。这正好与空化计算域的窒息。实验结果确实包括流在较低的值。然而,如上所述,如图7,实验在急剧下降本质上,哽咽的条件。

计算结果说明沿吸力面空腔大小和形状的转子叶片也显示在图8。提出了四个条件生成分解。条件(一)对应,之前崩溃。(b)和展品的力量上升由于显著的空化但不似乎窒息。(c)和(d)。的条件(c)和(d)都明显哽咽,在崩溃。根据不稳定的性质真正流在这个条件,(c)和(d)近似的极限值(使用steady-RANS方法)对于一个给定的进口总压和指定的旋转和流量。注意,在图8的大小,沿转子表面蒸汽区域。它是用50%的蒸汽体积分数等值面。在条件(a),该地区的蒸汽接近转子吸力面,没有厚度,并终止1/2和3/4的叶片之间的共鸣。虽然有大量空泡,几乎没有改变性能(考虑权力,即。转矩)单相条件。缺乏厚度腔地区表明几乎没有变化(单相)平均流量将因此改变转矩或权力。在条件(b)腔厚度似乎更重要的导致增加扭矩。然而,腔终止结束前达到叶片吸力面。在条件(c)和(d)腔具有显著的厚度有明显的空化达到转子叶片的后缘。这些条件对应分解和空化窒息。建议空化到达后缘代表在缩脉流堵塞或收缩(最低转子流区)。 Hence, a further reduction in inlet total pressure at the given conditions of rotation and flow rate is not sustainable.

几个数据包括支持断言条件(c)和(d)的人物8,空化窒息似乎存在,体现由于转子通道出口的条件。在数据9- - - - - -11,结果从操作条件(一)——(d)提出了蒸汽的体积分数和地方空化数,。结果给出了常数半径穿过转子通道。在图9,裹尸布半径的53%,接近中心(至少在转子通道退出)。图的上半部分包含蒸汽体积分数的阴谋。注意,在最高条件,(a),在这个情节,没有空化是显而易见的。在条件(b),空泡明显大约中旬和弦。在条件(c)和(d),空化达到刀片的后缘。图的下半部分包含当地的空化数的阴谋。注意,策划这个量的目的是表明当转子通道的出口区是在饱和压力;也就是说,在这一点上,流阻。

这一结论进一步支持数据10- - - - - -12。在图10,一个恒定的半径绘制。在图11,裹尸布附近的一个常数半径减少绘制。在图12另一种观点的比较。这里,局部空泡数颜色恒定轴向剪切、转子的出口附近,靠近假设收缩。请再次注意,蓝色表示当地的饱和蒸汽流量。再考虑到流图12已经通过转子在固定的转速由水库固定总压强。进一步考虑两个条件提出了饱和流明显在转子出口,喉咙扼流。通过能量守恒,它是不可能加速流没有进一步增加该地区的饱和蒸汽,减少有效的流动区域。此外,考虑到上游总压强和绝对的蒸气压是固定的,目前的流量无法维持,如果上游总压降低。在这些情况下,看到条件与存在明显的蒸汽在转子叶片的后缘(饱和条件在出口处的转子通道),射流流壅塞。综上所述数据8- - - - - -12提出一个明确的空化射流转子窒息,窒息,由于在转子通道退出饱和条件。

4所示。结论

在水筒轴流射流测试配置建模使用驱动的迭代方法。流是在一系列条件,包括空化故障建模。单和多相流解决方案似乎准确捕获所有条件的综合性能。此外,整个空化模式,在转子叶片吸力面和由于tip-gap流动,在一系列空化条件好了。用管道输送设备,如射流,怀疑流故障将在转子通道与空化窒息。这是怀疑已经证明了实验数据和计算结果。之前已经显示了unducted推进器(4,21),目前的计算方法是有效和准确的正确应用叶片空泡的建模模式和cavitation-driven推力轴流射流击穿。

确认

这项工作是由美国海军研究办公室批准号n00014 - 09 - 1 - 0314与Ki-Han Kim博士项目官员。谢谢也扩展到马丁·j·唐纳利赛斯·d·施罗德,Christopher j . Chesnakas NSWCCD提供和解释实验测量。