蒸汽泡近壁面溃灭和能量转化机理的研究

论文摘要

空化现象普遍存在于船舶推进、水力机械以及水利工程中,它的出现给设备和环境带来了一系列的危害性影响,如空化噪声、空蚀以及激振力等。在众多的空化类型中,云雾状空化危害性最大,且机理复杂,是当前空化研究中的前沿热点问题。云空化本质上是多尺度、含相变、高瞬态的汽液两相流,要达到从宏观到细观的全尺度解析尚有困难。本文力图从细观尺度动力学的角度,加深对云空化群泡溃灭机理的认识。本文采用VOF方法,对单泡、群泡溃灭过程进行了直接数值模拟,通过汽泡形态、流场特征、能量变化,来分析泡-泡、泡-壁间的相互作用,并解释溃灭过程中的能量传输机制。研究从单泡溃灭入手,模拟了远场以及近壁距离γ=1.5-4.0的蒸汽泡溃灭过程。首先对蒸汽泡的溃灭形态进行了验证,远场和近壁溃灭形态均达到较高的模拟精度。研究结果发现,在溃灭过程中,汽泡势能不断降低,流场动能不断上升,在溃灭瞬间,会有强烈的压力波释放。在远场溃灭中,压力波能转化率达到最大的29.29%。随着近壁距离减小,波能转化率逐渐下降,当γ为1.5时,波能转化率为10.73%。从壁面冲击力变化可以发现,压力波和射流会分别对壁面产生冲击,而当近壁距离减小后,射流引起的冲击强于压力波的冲击。通过8个汽泡的近壁溃灭模拟发现,泡间相互作用对汽泡行为具有显著的影响,具体表现在:汽泡溃灭时间延长,汽泡凹形变形显著,并且抑制了压力波能的释放。壁面对汽泡的影响与泡-泡相互影响类似,在泡-泡、泡-壁同时作用下,泡群遮蔽效应明显。当泡群规模进一步扩大时,遮蔽效应更加显著,近壁泡群呈现逐层溃灭的特征。总体来讲,群泡溃灭中,近壁溃灭的波能转化率要小于远场的波能转化率。群泡在间距D=2.5和近壁距离γ=1.5条件下,压力波能转化率处在10%-15%的水平。群泡近壁溃灭的射流形态更为复杂,使得射流导致的冲击力难以评估,仍需进一步研究。通过单泡、群泡溃灭过程中的能量分析可以发现,汽泡溃灭都遵循着类似的能量转化规律:汽泡溃灭完成前,汽泡势能下降,流场动能上升,汽泡势能转化为场中动能;而溃灭瞬间,场中动能骤降,压力波能迅速上升,场中部分动能转化成压力波能。势能-动能和动能-波能的两种能量转化过程相对比较独立。该能量转换机制为直接由流场中起始势能预估波能提供了一种思路,并为预估壁面冲击力提供了理论基础。

论文目录

致谢

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 泡动力学研究方法

1.2.2 单泡相关气泡动力学研究进展

1.2.3 多泡相关气泡动力学研究进展

1.2.4 空蚀强度预报模型相关研究

1.3 研究创新点及研究内容

2 研究方法介绍

2.1 数值计算方法

2.1.1 控制方程

2.1.2 数值方法

2.1.3 计算平台简介

2.2 单泡动力学理论

2.3 计算网格以及有效性验证

2.3.1 球泡形变精度验证

2.3.2 流场内能量计算方法以及验证

2.4 本章小结

3 单汽泡溃灭动力学研究

3.1 引言

3.2 数值模型

3.3 单泡溃灭流场分析

3.4 单泡溃灭能量变化以及相应流场分析

3.5 壁面冲击以及分析

3.6 小结

4 多泡溃灭机理研究

4.1 引言

4.2 汽泡间互相作用研究

4.2.1 数值模型

4.2.2 泡群远场溃灭形态

4.2.3 泡群远场溃灭能量变化

4.2.4 汽泡间互相作用对泡群溃灭的影响

4.3 小型泡群近壁面溃灭研究

4.3.1 数值模型

4.3.2 泡群近壁面溃灭形态

4.3.3 泡群近壁面溃灭能量变化

4.4 本章小结

5 泡群近壁面溃灭数值研究

5.1 引言

5.2 矩形泡群溃灭机理

5.2.1 数值模型

5.2.2 矩形泡群溃灭形态

5.2.3 矩形泡群溃灭能量变化

5.3 柱形泡群溃灭研究

5.3.1 数值模型

5.3.2 柱形泡群溃灭形态

5.3.3 柱形泡群溃灭能量变化

5.3.4 泡群溃灭壁面冲击力分析

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 研究成果总结

6.2 后续研究以及展望

参考文献

个人研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 张靖

导师: 张凌新

关键词: 空化,蒸汽泡,溃灭,能量转化

来源: 浙江大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 力学

单位: 浙江大学

分类号: O359.1

DOI: 10.27461/d.cnki.gzjdx.2019.000591

总页数: 128

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