绕水翼云状空化非定常脱落机理研究.pdfVIP

绕水翼云状空化非定常脱落机理的研究 王国玉张博 王国玉，毕业于日本东北大学工学部，获工学博士学位．1999年 6月至2001年6月在清华大学热能系动力工程与工程热物理博士后流 动站做博士后研究工作。现任北京理工大学热工与流体力学实验室主 任，教授，博士生导师。中国流体工程学会理事，流体工程学会水泵 专业垂员会委员，国家机械工业教育协会高等学校机电类学科教学委 ■ ‘ 雀 员台委员，某国防973项目总体组专家． 一般地，按照空穴形态特征，将附着型空化分为初生空化、片状空化、云状空化和 超空化四个阶段…。随着空化从初始的游离型空泡”’垒附着型片状空泡匝再到云状脱落最 后发展到超空化，不同阶段窄化的形成与发展机理也不尽相同。尤其在云状空化阶段， 伴随着空泡群的破灭和脱落．引起强烈的噪声、振动和较严重空蚀现象“1。人们已经针 对云状空化的产生机理做了大量的研究。Furness和Hutton”1提出反向射流是云状空化 产生的因素；Kubota…等人认为边界层的分离造成反向射流进入空穴，引起大翘模空泡 主要因素；另外AvelIaⅡ“1等人却认为由于空穴表面波动引起云状空化。 由于云状空化现象包含有相变、非定常、多维湍流和可压缩等多种复杂流动现象， 使用数值模拟和实验方法均遇到了巨大的挑战，尤其是流动模犁的确定方面还有许多问 题需要研究。近年来，许多学者研究空化现象时，采用了单流体流动模型。Kueny”1提出 了正压状态方程求解密度场．Kunz“”等人添加源项来调节汽液两相间的传输， Siughal“”、gubotatl 选取对预测空化流场是非常重要的“”，现在应用较多的是求解两方程模型．如女一F、 ±一ol等“。”。，而这些模型不能很好的模拟云状空化现象。 为了进一步了解云状空化流动的非定常特性及其机理，用高速录像的方法观测了云 状空化阶段空泡的形态，应用数值的方法计算了绕水翼云状空化流场结构。计算中湍流 模型采用了RNcI一￡模犁．并且，为准确模拟云状空化区域的多相揣流流动，引入了一 种与空化区域水汽相密度相关的系数，对湍流模型进行了修正，计算中考虑了湍动能对 饱和蒸汽压的影响。基于计算和实验结果讨论了云状空化的脱落机理。 1实验装置和方法 1．1实验装置 实验在一闭式空化水洞进行，图1是实验段及水翼安装位置示意图，实验段尺寸为 70minX 长度均为70mm，并由机械锁定装置固定于实验段，水翼可绕轴连续调整所需的攻角。实 验时，通过其上下部及前侧面的透明有机玻璃窗，可观测水翼周围的流场形态。 圈1买验段几伺尺寸及水吴安放位置 空化数、雷诺数、压力系数和升阻力系数的定义如下： 仃：掣 (1．1) 天1 oU： Re：坚 (1．2) ％ q=面P-砭P (，．3) 17 G2赢 ‘1．4) F e5赢 Q·勒 这里￡、讥、p和己分别为距实验段上游入口210mm处参考断面上的平均静压强、 断面平均速度、水的密度和汽化压强，C和‘是水翼所受到的阻力和升力，C是水翼弦 长，咋是水的运动粘性系数。在本研究中，水翼的攻角设定为口=8。。空化数设定为0．8， 流速以设定为lOm／s，对应的雷诺数为7x105。 1-2高速全流场显示系统 图2为高速流