绕水翼非定常空化抑制理论与实验研究

论文摘要

非定常的空化现象涉及到汽液两相工质的质量传递、大尺度湍流脉动,以及空化区域的可压缩性,包含了空穴初生、发展、断裂、脱落和最终的溃灭,是一种复杂的非定常运动。因此,涉及到核电站、船舶推进、高速水中兵器、水电站等多个领域安全稳定运行的空化研究受到极大关注。而如何削弱空化的发展,进而抑制空穴的脱落,一直以来是水力机械研究的重点和难点课题。本文以延缓和抑制空化发展及空穴脱落,提高水力部件安全性为出发点,提出采用水翼表面射流抑制空化和水翼表面特殊构型削弱空化的新思想和新结构,针对多个工程领域迫切需要解决的空化抑制关键问题,研究非定常空化流动的控制技术及抑制机理。基于空化水洞的可视化实验平台,采用高速录像技术和粒子图像测速系统,针对非定常空化流动特点,开展了原始水翼、主动射流水翼、特殊构型水翼的系列空化流动实验研究,测量和分析了不同空化阶段水翼周围非定常空化形态,以及空化流动的运动学特性参量;建立了基于密度修正的RNG k-ε湍流模型,结合Schnerr-Sauer空化模型,开展对绕水翼的非定常空化流动的机理分析。开展了绕流NACA66（MOD）水翼的非定常空化流动特性实验研究,揭示了云空化的非定常周期性演化过程,通过空穴无量纲长度、厚度、面积以及脱落频率等多个指标对非定常空化流动进行定量评价。结果表明:在云状空化发展阶段,水翼吸力面充分发展的附着型空穴尾部产生的反向回射流是造成空穴断裂和脱落的主要原因。基于此,结合数值模拟分析,揭示回射流与空穴之间相互作用规律,提出无量纲特征数Cre,以便衡量回射流和空穴之间的冲击和汽化作用,从而实现对空化形态的评估。提出水翼表面主动射流的结构型式,率先开展主动射流抑制空化的实验研究。细致分析水翼表面射流特征参数对于水翼空化流场特性和动力学特性的影响规律,揭示射流抑制空化的机理。研究结果表明:根据流场内的空化程度,通过调节水翼表面的射流流量可以实现从片状空化到云状空化的流动控制,并存在空化抑制效果最佳的射流流量;在云状空化阶段,在距水翼前缘0.19C位置布置射流,空化抑制效果和水动力性能均能达到最优。对主动射流抑制空化的机理研究发现,射流向流场中注入了动量,缩小了水翼吸力面低压区,减小了水翼射流孔后部近壁面速度边界层厚度,减小了空化区尾部的逆压梯度,回射流强度降低,回射流区域的厚度也减薄,脱落的涡团核心区也减小,降低了空泡脱落频率,从而削弱了空化发展,达到了对空化流动的控制。基于改善水翼吸力面压力分布,减弱回射流强度,阻碍回射流向水翼前缘发展的思想,提出水翼表面特殊构型设计,实现减弱和抑制非定常空化的发展和脱落。研究结果表明:水翼吸力面单排凹坑设计能够使水翼吸力面边界层减薄,边界层分离点滞后,水翼尾缘回流区减薄,吸力面低压区范围减小,抑制了空泡的发展。而所提出的水翼通孔射流结构在保持最佳射流特征参数下,使水翼表面低压区缩短,与原始水翼相比,回射流强度明显减弱,对水翼前缘空化区冲击减小,使空泡不能继续向水翼前缘发展,水翼表面的空化得到明显削弱。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 王巍

导师: 王晓放

关键词: 水翼,回射流,空化抑制,实验研究

来源: 大连理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 力学

单位: 大连理工大学

基金: 国家973项目(2009CB724303,2015CB057301),国家自然科学基金(51876022)

分类号: O35

总页数: 145

文件大小: 19416K

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