尾水管壁面加鳍对混流式水轮机压力脉动的影响

为了抑制混流式水轮机在部分负荷工况下的压力脉动,在尾水管直锥段设置鳍片是一种可取的工程措施。本文基于数值模拟方法细致考察了设置鳍片对混流式水轮机尾水管内部流动及压力脉动的影响。结果表明:鳍通过改变鳍周围的速度和压力分布,并作用于涡的演变过程,进而影响尾水管中的涡带运动和压力脉动。在非空化工况下,鳍表面产生的附鳍小涡带起到稳定压力场的作用,降低了尾水管直锥段的压力脉动;而附鳍小涡带与主流区涡带的相互作用则恶化了尾水管弯肘段的流动,反而使得弯肘段压力脉动略微回升;在空化工况下,尾水管壁面加鳍显著降低涡带规模和空泡体积,使得尾水管的压力脉动得到明显削弱。     

基于Omega涡识别理论的自适应空化流动模型

液体火箭发动机涡轮泵内存在多种空化类型,其发生机理有所不同,现有数值计算方法通常采用同一套模型预测所有类型空化,导致预测精度不足。为提高复杂空化流动的计算精度,提出了自适应空化流动模型。基于先进的Omega涡识别理论和ZGB空化模型建立了相变系数自适应调整方法,以涡轮泵内两种典型空化（附着空化和泄漏涡空化）为对象,利用翼型实验对模型进行了验证。首先对比了几种涡识别方法的差异,发现Omega方法对阈值不敏感且物理意义明确,适合作为相变系数的取值依据;分析了相变系数对附着空化和泄漏涡空化的影响规律及两种典型空化的形成机理。结果表明：自适应模型相比ZGB模型,对泄漏涡空化的预测精度在大间隙下提升了约181%,小间隙提升了约27%,对附着空化的预测更接近实验结果;附着空化是吸力面脱落涡形成的原因,间隙泄漏流场的涡带和剪切层空化是由间隙泄漏涡和分离涡共同作用形成的。     

基于对流换热的低温空化流动数值模拟研究

为了考虑低温介质的热力学效应对空化发展的影响,基于气泡表面对流换热平衡建立了温降与气泡生长的关系,引入夹带理论估计了对流换热系数,并对一种输运型空化模型进行修正,将修正后的空化模型以二次开发的形式嵌入至商业软件中,同时引入能量方程源项以及物性参数随温度变化关系,对二维翼型表面空化流动进行数值仿真,通过与实验结果的对比,发现计算结果与实验结果符合较好,修正后的空化模型能够更好地预测空化区内温度的分布,最大温降偏差由62.18%降低至7.14%,平均温度偏差由0.59%降低至0.28%。考虑热效应之后,空化区主要由气液混合组成,来自主流的液体一部分经对流传递至空化区,一部分在翼型头部和气液界面处发生空化形成蒸汽,导致空化区气相体积分数显著减小,空化区与主流之间的界面变得模糊,最大温降和压降均发生在翼型头部位置。     

液氢绕回转体非定常空化的流动特性

为研究航空发动机内部低温燃料的非定常空化流动特性,采用大涡模拟(LES)对液氢绕回转体的非定常流动特性进行了分析。通过与实验结果的对比可知,所采用的数值计算方法能够有效地模拟液氢绕回转体流动的非定常过程。讨论了空化演化过程和旋涡动力特性,研究结果表明:空化的非定常演变过程大致可以分为3个阶段:附着空穴生长阶段、大尺度空泡发展阶段和小尺度空泡发展阶段,且反向射流是造成空穴不稳定及脱落的主要原因;探讨了空化与旋涡之间的交互作用,明确了空穴前端和尾端处的涡量源于旋涡伸长项,空穴内部涡量源于旋涡扩张项,空穴交界面、反向射流头部区域涡量源于斜压扭矩项。      

水温对空化流动影响的数值研究

为了研究温度升高对翼型表面空化流动的影响,以水为介质,首先对几种现有空化模型的预测能力进行了对比分析,发现Singhal模型能够较准确预测空化区的形状、压力和温度分布。通过添加空化引起的能量源项、耦合介质物性参数与温度关系等方式考虑了热力学效应的影响,并利用现有实验数据充分验证了仿真方法的可靠性,发现考虑热力学效应对压力分布影响较小,但是会导致空化区最大温降减小10%左右。基于建立的仿真方法,对298K～393K温度范围内空化流动进行数值仿真,发现空化区温降随温度升高而增大,但是空化区面积随温度变化在T=353K存在拐点,T353K时,空化区面积随温度升高而增大;而T≥353K时,空化区随温度升高而减小。最后研究了雷诺数变化对空化发展的影响,发现雷诺数增大有一定促进作用,而温度升高同时导致热力学效应增强(抑制空化)和雷诺数增大(促进空化),正是这两种相反作用之间的平衡决定着温度对空化流动的影响。     

驻涡燃烧室驻涡区涡系特点数值模拟

为深入了解驻涡燃烧室凹腔内流场的涡系分布特性,采用FLUENT对不同驻涡区前进口堵塞比和不同燃烧室入口速度的驻涡区流场进行计算,分析典型截面压力场和流线图,研究驻涡区涡系特点.结果表明:不同纵截面旋涡特点不同,主流被联焰板堵塞的凹腔纵截面只有主涡,为稳定点火和火焰稳定提供条件;不同横截面的旋涡差别较大,离驻涡区前壁越远的截面涡心距越大,贴近前壁和后壁的截面均无旋涡;燃烧室入口速度对轴向中间截面的旋涡结构无影响,而前进口堵塞比对旋涡结构影响较大.     

绕不同头型回转体初生空化的实验研究

为了研究绕不同头型回转体初生空穴的形成、发展过程和流场特性,采用流动显示技术分别观察了绕平头和锥头回转体初生空化的形态,并应用粒子图像测速系统（PIV）测量了相应工况下的速度分布。结果表明,绕回转体的头型对初生空化数和空穴形态有重大影响。实验中平头回转体的初生空化数为1．2,而45。锥角头型的初生空化数则为0．9。绕回转体的初生空穴形成于回转体肩部稍靠后的位置且没有附着在其表面,呈游离型发夹状,同时绕平头回转体的初生空穴的尺度较大,其初生位置距离肩部及回转体的壁面均较远。流场测试结果表明,空化初生和绕回转体头部流场的旋涡强度有关。与锥头回转体相比,同一雷诺数条件下,绕平头回转体的分离涡尺度较大、边界层离壁面较远、高涡量区域较大且离壁面较远,这是造成两种头型具有不同初生空化特性的主要原因。     

加力燃油泵压出室非设计工况内流特征数值模拟

针对某型航空发动机加力燃油泵隔舌空蚀破坏,采用滑移网格技术模拟泵内非定常流场,揭示了压出室在典型非设计工况下的内流特征,研究了隔舌处的空化机理.计算结果表明:大流量工况,扩散管锥形段存在大小两个分离涡,而环形腔室隔舌段燃油以相切方式流经隔舌壁面,无明显流动分离,不会发生空化;而小流量工况,扩散管锥形段内两分离涡扩展到大部分区域,右半侧部分阻滞燃油在反向流向涡作用下,绕流隔舌上部,在隔舌下游形成了明显分离涡,导致隔舌壁面静压急剧降低,进而引发空化,产生空蚀破坏.      

叶顶间隙流动中的涡结构实验研究

叶顶间隙流动中的旋涡结构是引发导管桨、水轮机等水力机械叶顶间隙空化问题的主要因素之一。与常规船用螺旋桨（叶顶无端壁）上的梢涡流动不同,叶顶间隙流动受叶片载荷分布和间隙尺度（叶片梢部与端壁的距离）共同作用。为了研究叶顶间隙流动中的旋涡结构特性及其影响因素作用机理,本文采用二维NACA0024翼型在空泡机理水筒中,开展了基于旋涡空化观测的叶顶间隙流动显示实验和基于2D-3C PIV的叶顶间隙流场测量实验。通过空化观测实验,获得了叶顶间隙流动中的旋涡整体分布状态,以及间隙宽度、雷诺数和载荷系数等对旋涡强度的影响规律。通过流场测量实验,获得了局部全湿流场（无空化状态）中的旋涡分布规律以及其随不同影响因素的变化规律。结合流动显示实验和流场测量实验,研究了叶顶间隙流动中的旋涡结构形态以及形成机理,并初步阐明了间隙宽度、雷诺数和载荷系数对叶顶间隙流动旋涡强度的影响规律。研究表明,在NACA0024翼型叶顶间隙流动中存在两种主要稳定涡结构,分别是梢分离涡和梢泄涡;稳定涡结构是引起叶顶间隙流动空化的主要因素;翼型攻角和间隙宽度的大小是影响叶顶间隙流动中旋涡结构强度的主要因素。     

超疏水壁面湍流边界层减阻机理的TRPIV实验

利用高时间分辨率粒子图像测速（TRPIV）技术,开展超疏水壁面材料湍流边界层减阻机理的实验研究.在循环水槽中,对超疏水壁面和亲水壁面湍流边界层瞬时速度矢量场的时间序列进行了实验测量.得到了同一来流速度（0.17m/s）下超疏水壁面和亲水壁面湍流边界层的平均速度、湍流度及雷诺切应力沿法向的分布规律.提出了空间多尺度局部平均涡量的概念,并以此为特征量检测壁湍流发卡涡展向涡头的中心位置.用条件采样及空间相位平均技术提取了不同法向位置发卡涡展向涡头周围流向脉动速度和流线的空间拓扑,对发卡涡展向涡头的俯仰角进行了对比,并从鞍点-焦点动力系统的角度分析了发卡涡展向涡头附近的流线拓扑特征.研究表明：雷诺数约为13500时,相比亲水壁面,超疏水壁面实现了10.1%的减阻.超疏水壁面平均速度明显增大,雷诺切应力减小,流向湍流度减弱,发卡涡展向涡头俯仰角较小,近壁区相干结构的发展受到抑制.     

径向直叶片燃油汽心泵汽心形态数值模拟

为获得燃油汽心泵内气态区域的形成过程及形态的变化规律,基于renormalization group(RNG) k-ε双方程湍流模型与Schnerr-Sauer空化相变模型,对径向直叶片燃油汽心泵进行了整体三维建模与气液两相定常数值模拟,分析转速、进口节流活门开度、出口压力等因素对燃油汽心泵内气态区域的影响.结果表明:一定转速范围内气态区域随转速增加而扩大;转速不变时出口压力增加会使气态区域范围减小;气态区域扩张至极限位置即叶轮直径外,燃油汽心泵进入不稳定工况.RNG k-ε双方程湍流模型和与Schnerr-Sauer空化相变模型适用于燃油汽心泵汽心形态的数值模拟.      

基于两相流模型的挤压油膜阻尼器空化流场特性数值模拟

基于气液两相流理论中的Mixture模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型,采用动网格技术建立了两端开口中心槽供油型挤压油膜阻尼器三维非定常空化流场求解模型。数值模拟表明:随着阻尼器内环进动,考虑两相流动的油膜低压区在中心槽的两侧产生两道对称的条状负压带,条状带内具有较高的气相体积分数;阻尼器低压区的压力和气相体积分数对进油孔位置十分敏感,阻尼器油膜力和流场气穴比的变化频率与进油孔数密切相关。内环同心进动半径、进动频率对阻尼器空化流场影响的数值计算表明,进动半径和频率的增大均会使得流场内的空化现象加剧,同时气穴比的相位滞后现象愈加显著。      

以N2O为工质的汽蚀文氏管流场仿真

为得到N₂O在汽蚀文氏管中的汽蚀流场分布,以实际气体状态方程和完全汽穴模型为基础,求解两相混合物流动的控制方程组.针对N₂O的特点,对三种不同工况下文氏管的汽蚀流场分别考虑汽化热和不考虑汽化热进行了仿真,并对两种计算结果进行了对比分析.考虑汽化热计算得到的汽蚀区比不考虑汽化热计算得到的要小,而且汽蚀区及周边温度有明显的变化,计算结果更加真实合理,说明了考虑汽化热计算的必要性和正确性,对汽蚀文氏管的设计有一定的指导作用.      

绕平头回转体非定常空化流体动力特性研究

采用高速全流场显示技术和动态应变式测力系统实验研究了绕平头回转体的非定常空化流动及其动力特性。实验在闭式水洞中进行,采用高速摄影的方法观察了在不同空化数下绕平头回转体的空穴形态,应用自编软件对图像进行处理获得了空穴尺度随时间的变化,测量了所受到阻力,并对空穴尺度和阻力信号的时域与频域进行了分析,得到了平头回转体阻力在非定常空化阶段的时频特征。结果表明：在各个空化阶段,空穴尺度及其对应的动力特征均呈现明显的非定常特性。在空化数较大时（σ=1.05～1.20）,仅在回转体头部后端区域存在不稳定的空泡脉动区域,此时,由阻力系数得到的时频信号呈无规则的波动;当空化数降至0.75以下时,出现了大尺度空穴断裂与空泡团脱落现象,捕捉到了绕平头回转体空泡的非定常周期性脱落过程和典型特征频率。绕回转体阻力系数曲线随着空化数的减小波动幅度不断加大,并且空穴尺度和平头回转体所受阻力主频随之发生改变,特征频率逐渐显现,并且形态特征频率与动力特征频率存在高度的相关性。     

Structure of a two-phase flow of boiling water at low-head adiabatic efflux through the laval nozzle

The critical flow conditions and structural forms of a two-phase flow that is formed during water efflux from the region of moderate and low pressures into a rarefied medium are analyzed. The difference in the structural forms of a flow realized at the low-head efflux from the structure of a flow occurring in the fluid flow with moderate and high initial pressures is established. The critical pressure differential characterizing the establishment of the maximum flowrate is determined and the decisive influence of turbulence on the vapor phase generation and flow conditions of a two-phase medium is shown.     

液体火箭发动机高转速诱导轮旋转空化

诱导轮是提高液体火箭发动机泵抽吸性能的重要部件,而高速诱导轮中出现的旋转空化现象有时会严重影响涡轮泵的正常工作。利用基于Rayleigh-Plesset方程的混合流体模型对某诱导轮2D叶栅中的非定常空化流动进行了计算,模拟了迁移速度比约为1.0~1.4的旋转空化现象,并对其内在机理进行了分析。通过水力实验,利用非稳态信号时-频谱分析技术,捕捉到多种工况下旋转空化的动力学特征,同时观测得到该非定常现象的发生区间和其它特性。     

热力学效应对液氢非定常空化流动的影响

为研究热力学效应对低温流体非定常空化流动的影响,以液氢为研究对象,采用大涡模拟计算了热力学和等温条件下液氢绕回转体的非定常空化流动。计算结果表明:热力学效应延长了液氢的空化周期,增强了空化的非定常特性,抑制了空化的发展。热力学条件下的空泡团内部包含更细、更小的气泡,呈现出多孔质特征,且使整个流域存在1.5K左右的温度波动。通过旋涡运动分析发现,热力学效应使旋涡结构由空穴交界面向空穴内部移动。基于涡量传输方程分析了热力学和等温条件下空穴和旋涡的交互作用,发现在热力学条件下,旋涡伸长项的作用位置主要位于空穴前端和尾端的交界面处,旋涡扩张项和斜压扭矩项主要位于空穴内部;在等温条件下,旋涡伸长项和旋涡扩张项主要位于空穴上方交界面处,斜压扭矩项主要位于空穴尾端。      

挤压油膜阻尼器的均匀两相流模型

在挤压油膜阻尼器内气穴现象实验研究的基础上，对挤压油膜因气穴现象而发生物理特性的变化进行了讨论。气液均相流模型作为挤压油膜的近似描述，导出了上述模型的密度和粘度与油膜压力之间的关系式。定性地分析了当挤压油膜采用这一可压缩模型时，其压力分布的描述更能与实际接近，对阻尼器的力学特性的准确预测有重要的参考价值。