《基於直接矩積分法的空化雲潰滅模型研究》是依託中國農業大學,由周凌九擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名:基於直接矩積分法的空化雲潰滅模型研究
- 依託單位:中國農業大學
- 項目負責人:周凌九
- 項目類別:面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
為了提高現有空化模型對空化流中翼型升阻特性的預測準確性,本研究將通過在空化流的計算中引入空泡數量平衡方程來描述空化演變過程中的空泡聚並與破裂,通過直接矩積分方法處理該方程,並採用分層潰滅理論修正空泡破裂模型,然後與現有空化流的CFD計算方法耦合,同時通過泰勒展開和引入符號函式的方法對原有全應力準則進行修正,以合理描述空泡的聚並與破裂以及剪下應力對空泡潰滅過程的影響;根據此思路編制計算程式,對不同攻角的翼型空化繞流進行計算;同時還將進行繞翼型的空化實驗以測量翼型表面壓力分布及升阻特性,通過計算結果與實測結果的比較對所建立的計算模型進行修正和驗證;在此基礎上,通過對模型水輪機或模型泵在典型工況下的空化流動計算,預測其臨界空化參數,並與實測結果進行對比,考察模型在水力機械空化流計算中的適用性,為在設計階段準確預測水力機械空化性能提供計算方法。
結題摘要
通過本項目的研究,首先建立了基於直接矩積分法的空化流動計算模型。為了模擬空泡的生長(空化核長大)、聚並、破碎,在兩相流模型中,引入數量平衡方程(Population Balance Equation,PBE):氣相被看作是具有一定粒徑分布的空泡,採用DQOMOM方法對PBE及其矩方程進行變換,並對矩積分採用直接積分近似,獲得對PBE的求解。為了與空化流計算耦合,將原始的QDMOM方程變換為3對關於體積組分及其矩的方程,代替了傳統空化流動計算的氣相輸運方程,不僅考慮了空泡流動的多尺度特徵,還從統計角度考慮了空泡的生長、聚並和破碎等過程。 採用以上模型,首先對翼型的非定常空化流動進行了模擬,對不同的參數對計算結果的影響進行了分析。結果表明, DQMOM方法不僅能模擬出空腔長大和脫落的過程,還能預測出大空泡閉合區附近的小空泡以及翼型的尾跡區較小的氣相體積分數。 通過射流泵的空化實驗及空化流場的數值計算研究了剪下應力對空化的影響,實驗表明,由於剪下及湍流擴散的影響,擴散管段存在著大量細小而分散的空泡,在不考慮空泡破碎的傳統的空化計算方法中,沒有獲得這種細小的空泡的體積組分,而DQMOM方法則能預測出尾部剪下層中還存在較小的體積組分,與實驗觀察結果更加一致。 同時,還建立了基於全應力和渦量之比的漩渦辨識方法,並以此方法為基礎,對空化的潰滅模型進行了修正,獲得了與實驗結果更加吻合的計算結果,明顯提高了漩渦區空化的預測準確性。 對翼型的升阻特性的預測表明,大渦模擬與實驗結果的一致性更好。隨著空化係數的降低,翼型的平均升阻比降低,這也是空化導致水力機械效率下降的根本原因。對兩台泵的臨界空化餘量進行了預測,結果表明,隨著空化係數的降低,不同流量係數下的揚程都出現先維持平穩不變然後陡然降低的過程。但是小流量工況下的揚程陡降更加劇烈,在大流量情況下,揚程隨空化係數降低得相對平緩,計算結果與實測結果吻合較好。