空化熱力學效應及其數值計算模型研究

《空化熱力學效應及其數值計算模型研究》是依託北京理工大學，由王國玉擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：空化熱力學效應及其數值計算模型研究
• 依託單位：北京理工大學
• 項目負責人：王國玉
• 項目類別：面上項目

項目摘要

高速流動中發生的空化是一種包含有汽液相變過程的複雜流動現象，在空泡的發生、發展和潰滅的過程中都存在著熱力學效應。空化的熱力學效應不僅是空化現象研究過程中不容迴避的關鍵科學問題，同時也關係到航天、核能和火力發電以及水下兵器等和國家安全以及國民經濟相關的重要領域的關鍵技術問題的解決。申請者基於已有的研究基礎和實驗與計算條件，發展考慮熱力學效應影響的空化實驗和數值計算研究體系；研究空化過程中汽液兩相的物質傳遞機理和熱力學參數、空化數等相關因素對物質傳輸過程的影響規律；深入了解考慮熱力學效應的各階段空化的形成和發展機理；建立考慮熱力學效應的汽液兩相間的質量傳輸模型；評價不同的湍流模型對熱力學效應模擬的適用性；在現有的空化數值計算框架內耦合能量方程和流體的熱力學參數，建立空化流動的數值模擬方法；通過大規模的數值模擬計算並結合水洞實驗，研究熱力學效應對水體和低溫流體空化的影響規律。

結題摘要

空化的熱力學效應不僅是空化現象研究過程中不容迴避的關鍵科學問題，同時也關係到航天、核能和火力發電以及水下兵器等和國家安全以及國民經濟相關的重要領域的關鍵技術問題的解決。在本項目的資助下，基於課題組已有的研究基礎和實驗與計算條件，針對空化的熱力學效應及其數值模型進行了系統的研究工作。 套用實驗研究的方法研究了不同溫度下的水體繞水翼的空化流動，獲得了不同空化數條件下，不同溫度水體的空化形成和發展特性。採用高速攝影的方法觀察了不同溫度不同空化階段繞水翼的空穴形態；採用粒子成像測速系統（PIV）對相應的速度和渦量場進行了研究；採用動態測力系統測量了水翼受到的升阻力，並對升力信號進行了頻譜分析，得到了水翼升力在非定常空化階段的頻率特徵。 基於實驗數據，建立了考慮熱力學效應的非定常空化計算模型。在動量方程中添加了考慮空化影響的源項；實現了計算過程流體介質的物質屬性隨當地溫度的變化；引入了三種湍流模型和四種空化模型。基於實驗結果，評價了標準 模型、修正RNG 模型和FBM模型3種湍流模型在空化熱力學效應數值模擬中的適用性。熱力學效應主要表現在對空化過程中質量傳輸過程的影響，在分析現有四種空化模型的基礎上，建立了一種考慮熱力學效應的修正空化模型。提出了一套適合於空化熱力學效應計算的數值計算策略：均相流模型＋修正空化模型（考慮湍流脈動的影響）＋FBM湍流模型。運用上述確定的計算模型， 對不同溫度下水體的非定常空化階段進行了研究，揭示了空化熱力學效應對非定常空化流動影響的規律和機理。分別針對不同溫度的水體在片狀、雲狀和超空化空化階段的非定常過程進行了分析，給出了空穴的蒸汽體積分數、溫度和壓力等隨時間變化，並分析了溫度對逆壓梯度和反向射流的影響。 研究了低溫介質流體的空化特性。應該建立的考慮熱力學效應計算方法，分別對水體，液氮和液氫空化流動進行了計算，討論了不同流體介質的物質屬性和速度尺度對熱力學效應的影響。分析了空化熱力學效應對不同流體介質影響的規律和機理。 基於本項目的研究成果，項目組共發表標註論文30餘篇，到目前為止被SCI檢索5篇，EI檢索16篇。申請軟體著作權4項。培養博士生2人，均獲得北京理工大學優秀博士論文。培養碩士生10餘人。獲得部級科技進步獎兩項。同時還和香港科技大學、美國密西根大學、日本東北大、日本大學和台灣中山大學等海外同行進行了合作研究工作。