论文部分内容阅读
本文基于均质混合流假设,通过考虑空穴溃灭过程释放的能量,提出了一种新的空蚀模型,为水力机械安全、稳定运行提供了重要的理论支撑。人们以往采用商用软件与实验结合的方法研究空化与空蚀机理。已有的数值模拟结果表明,虽然非定常空化现象可以较好地再现,但对空蚀只能作定性预测,且计算的空蚀区域与实际存在偏差,其原因是没有考虑含气率对空蚀的影响。在均质混合流假设的基础上考虑含气率时,首先是要优化非定常片空化的数值模拟方法。凝结和蒸发过程的非对称性是空化-空蚀的一个重要因素。因此,本文提出了改进的Zwart-Gerber-Belamri(Z-G-B)模型,并将C++语言嵌入到OpenFOAM作为新求解器。其次,为了避免质量传输和亚格子应力模型之间的显式耦合,采用了隐式大涡模拟来计算强湍流。通过对绕NACA0015、NACA66以及凸平面水翼的空化湍流进行模拟分析,再现了前缘附着空泡、回射流、空化脱落、空泡分离和空泡溃灭,预测的斯特劳哈尔数接近0.2,与实验结果吻合良好,证实本文提出的方法可以较好地预测空化现象。此外,用CFL条件数控制时间步长,避免了因网格尺度和信息传输与预测速度之间的差异而造成的浮点异常错误。最后,为了评估空化流动的侵蚀性、流道壁面的侵蚀区域和材料塑性变形,本文提出一种新的空蚀模型。基于均质混合流假设,考虑溃灭初期和末期的势能与动能之间的转化,将预测的微射流速度与材料变形速度对比,计算出塑性变形。采用该模型,预估了带半圆形障碍物的凸平面翼型、轴对称喷嘴等实际流动的空蚀。分别将凸平面水翼的计算结果与EPFL的高速空化水洞实验结果、轴对称喷嘴的结果与法国LEGI的实验进行比较,发现预测的空蚀影响区域和塑性变形体积与实验结果大致相同。与已有空蚀模型相比,本文的空蚀预测精度有所改进。综上所述,本文采用精度较高的Z-G-B空化模型、计算稳定性较好的隐式大涡模拟和变时间步长等方法改善了空化流动数值模拟。改进的空化-空蚀模拟方法是基于均质混合流动假设和空泡溃灭过程中释放的能量而提出的。全文使用了免费开源软件OpenFOAM,Paraview,Salome,GMSH和C++、python程序语言。