附著型流動中空化初生特性與機理研究

《附著型流動中空化初生特性與機理研究》是依託南京理工大學，由胡常莉擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：附著型流動中空化初生特性與機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：胡常莉
• 依託單位：南京理工大學

項目摘要

繞流物體表面的空化現象所引起的空蝕、振動、噪聲等不利影響，關係到航天、船舶以及水下兵器等多個工程領域的關鍵技術問題的解決。附著型流動中的空化初生機理一直是空化研究的一個核心科學問題。申請者將綜合採用高速全流場顯示技術和高速粒子圖像測速技術開展繞不同頭型迴轉體的初生空化流動特性的實驗研究，分析不同繞流條件下初生空化形態的非定常演變規律以及初生空化區域的湍流脈動特性，掌握初生空化的發展與潰滅對湍流流場的影響規律；將基於對實驗結果的分析和模化，採用代理模型的方法對現有空化模型的參數取值進行最佳化分析，同時提出一種對現有湍流計算模式的修正方法，以改進現有初生空化流動數值計算的模型與方法；綜合運用實驗和數值計算的方法，深入分析初生空化湍流流動結構，掌握邊界層流動狀態對初生空化的形成和發展特性的影響規律，研究初生空穴的發展運動與周圍流動結構的關係，揭示初生空化形態的演變與流場旋渦運動的相互作用機理。

結題摘要

魚雷、潛射飛彈等航行體在水下高速運動時，其頭部往往會發生空化現象並伴隨噪聲而影響航行體的穩定性，對於空化初生機理和形成條件的研究一直是空化領域的難點和熱點，因此，探究繞迴轉體的初生空化流動特性具有十分重要的理論價值和工程套用背景。針對不同頭型的迴轉體，採用數值計算的方法研究了初生空化流動特性及其影響因素，並探討了抑制空化的方法策略，主要得到如下結論：評價並建立了適用於模擬初生空化流動的數值計算方法。分析了Zwart空化模型和Schnerr-Sauer空化模型在初生空化流動數值計算中的套用特點，發現Zwart空化模型預測得到的初生空穴形態及其隨時間的演變過程與實驗結果更加吻合；綜合考慮空化流場中湍流尺度和格線尺度的變化特點，發展了一種基於尺度修正的PANS模型，並將其與LES方法進行了對比分析，發現二者模擬得到的初生空穴的形態及其發展過程均與實驗結果吻合較好，而修正PANS模型具有更好的計算經濟性。系統研究了迴轉體頭型、來流湍流度和來流攻角對初生空化流動特性的影響規律。揭示了分離渦結構對初生空穴的形態特徵、分布位置和運動特性的影響規律；來流湍流度主要影響近壁面流動結構，一定湍流度條件下，迴轉體肩部的湍流脈動特性增強，分離渦尺度增大，近壁面流場壓力升高，一定程度上抑制了初生空化的形成；來流攻角主要影響初生空穴的分布及其發展運動規律，隨著攻角的增大，初生空穴的隨機周向運動逐漸轉變為向迴轉體背流面靠攏的規律性的周向運動。探討了高壓導流法和增設壁面粗糙帶法對空化初生與發展的抑制機理。高壓導流法使高壓區域的流體通過導流孔在迴轉體肩部形成一股高速射流，改變迴轉體肩部的分離渦結構，提升當地流場壓力，限制初生空穴分布在受高速射流的影響較小導流孔之間的區域，從而產生抑制空化的效果；在迴轉體表面增設一定高度的粗糙帶，增強了近壁面流場的擾動，提升了空化區域的流場壓力，使初生空穴數量減少尺度變小，抑制了初生空化的形成與發展。