绕回转体空化流动特性与机理研究

【摘要】：绕回转体空化流动现象关系到水下兵器和航天工程等领域的工程问题，也是空化研究领域的经典问题之一，具有重要的理论意义和工程应用背景。水下高速航行体的头部表面通常会发生空化现象，产生噪音并影响航行体的受力特性及操纵稳定性。为了加深对绕水下航行体空化流动特性的了解，揭示空化初生和发展机理，作者开展了绕不同头型回转体的空化流动的实验研究；基于PANS(Partially-AveragedNavier-Stokes)模型，发展了一种可以对非定常空化实现高精度模拟的湍流模型；对绕回转体不同空化阶段的流动特性及机理进行了深入地研究。主要研究内容及结论如下： 采用实验的方法研究了绕平头回转体和锥头回转体的空化流动特性。应用高速全流场显示技术观察了绕回转体的不同空化阶段的空穴形态随时间的演变过程，应用PIV (Particle Image Velocimetry)流场测量技术获得了空化流场的速度、涡量和湍流脉动分布。分析了头型对空化初生与发展以及空化湍流流动特性的影响。研究结果表明： （1）头型对绕回转体的初生空化数及初生空穴形态有决定性的作用。平头回转体的初生空化数为1.2，而锥头回转体的初生空化数为0.9。虽然两种回转体的初生空穴均呈游离的发夹状，但是二者的演变过程却存在显著的差异。与锥头回转体相比，平头回转体的初生空穴的尺度较大、空穴形态随时间的演变周期较长。 （2）头型影响绕回转体非定常空化形态的演变过程。相同空化数时，平头回转体的空穴最大尺度尤其是空穴的厚度远远大于锥头回转体的，而且平头回转体的最大空穴尺度随空化数变化的变化率亦大于锥头回转体。在云状空化阶段，锥头回转体空穴形态随时间的演变过程表现为小尺度空穴的脱落、融合及溃灭，而平头回转体则主要表现为大尺度空泡团的脱落及溃灭。 （3）绕回转体空化形态的非定常特性与流场分布密切相关。初生空穴形成于回转体肩部的分离涡内，初生空穴的发生、发展及溃灭的过程会增加当地流场的时均湍流脉动强度。与锥头回转体相比，平头回转体的分离涡尺度较大，空穴初生位置离流动再附着点及回转体壁面均较远，流场中的高涡量区分布较广并且离壁面较远。空化区域始终对应于高湍流脉动区域。在空穴形态演变的过程中，空穴长度的随时间变化幅度比其厚度变化更大，同时流场中来流方向的速度脉动比垂直于来流方向的速度脉动更强些。与锥头回转体相比，相同空化数时，平头回转体的高湍动能区域明显大于锥头回转体，且最高湍动能值也较大。随着空化数的减小，空化高涡量区域和高湍动能区域均逐渐扩大。 基于空化实验结果，评价了一种近几年发展起来的标准PANS湍流模型，分析了标准PANS模型的特点及其在非定常空化流动计算中的不足，根据空化湍流场的特点提出了一种基于混合密度分域的PANS模型。研究结果表明： （1）标准PANS模型对流动的预测与其控制参数fk值及网格尺度相关。随着网格数的增加，标准PANS模型对fk值的敏感性有所降低。随着fk值的减小，标准PANS模型不仅对网格的敏感性程度降低，而且可以捕捉到更广泛的湍流尺度非定常流动细节，从而提高预测精度。 （2）标准PANS模型可以很好地模拟绕回转体初生空穴形态随时间的演变规律，但是对云状空穴形态演变细节的模拟与实验结果存在一定的差异，没能很好地模拟云状空化流动中反向射流对空穴的作用，从而不能很好地捕捉大尺度空泡团的脱落现象。 （3）基于空化湍流场的特点以及PANS模型的桥接模式，发展了一种基于混合密度分域的PANS模型。该模型通过引入参数fk的控制方程，使fk的取值由流场特性决定，实现了采用不同的fk值对流场进行分域计算，解决了原模型无法准确确定fk的问题，在保证计算经济性的同时提高了对空化流动的预测精度。 （4）基于密度分域的PANS模型实现了对非定常空化流动的高精度模拟。可以较原PANS模型更合理地预测了空化湍流粘性的分布，准确地表达了非定常空化演变过程中的反向射流对空穴的作用，从而与实验结果较一致地展现了绕回转体云状空化形态随时间的演变规律。 综合数值计算和实验的方法深入研究了绕不同头型回转体在不同空化阶段的流动特性及机理。结合有限时间李雅普诺夫指数（Finite-Time Lyapunov Exponent）方法详细地分析了空穴形态演变过程中的三维流动结构，揭示了不同空化阶段的空穴形态演变与旋涡运动的关系。研究结果表明： （1）受分离涡内周向流动的影响，初生空穴在发展的过程中存在沿着圆周方向的运动。越靠近流动的分离再附着点位置，周向流动愈加显著。与锥头回转体相比，绕平头回转体的初生空穴的周向运动的位移较大，其运动速度约为主流速度的10%~40%。 （2）绕回转体云状附着空穴U型断裂与反向射流密切相关。瞬时空穴形态沿回转体圆周方向的分布呈现不对称性，空穴内部存在明显的周向流动且越靠近空穴闭合区域，周向流动越明显。由于同一圆周上各点的反向射流的推进速度不同，导致附着空穴呈现不规则地断裂，从而形成U型空泡团的脱落。与锥头回转体相比，绕平头回转体的云状空化流动的三维特性较明显。 （3）绕回转体空化流动的旋涡运动与空穴形态的演变密切相关。初生空化阶段，空穴首先发生在漩涡中，形成空化漩涡结构。初生空穴自身的旋转运动使空穴形态呈现由纺锤状逐渐向涡线状的演变过程。云状空化阶段，空穴形态随时间的演变决定当地旋涡结构的变化，空穴不同的发展脱落的方式对涡量场的影响程度亦不同。空穴形态随时间的变化越剧烈，流动中的旋涡特性越明显，对流场中涡量输运的影响越大。