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三维水翼非稳态空化流场及其辐射噪声的数值模拟研究

刘志辉  
【摘要】:空化流涉及湍流、相变以及粘性可压等复杂问题,空化现象常见于液压阀门、燃油泵以及船舶螺旋桨等设备。空化流动往往是非稳态的,而非稳态空化流是相关机械设备发产生空蚀、振动以及噪声的主要来源。对船舶螺旋桨空化流场的研究表明,空化不仅会导致推进器的推进效率降低,也会导致推进器水下辐射噪声出现显著增强,因此对非稳态空化流场及其辐射噪声进行研究是很有必要的。本课题结合非定常RANS方程以及适用于可渗透边界的FW-H方程(FW-H_(pds))对三维水翼非稳态空化流场及其辐射噪声进行了模拟研究。通过对三维截断翼梢涡涡核区应力与应变分布间的相位关系进行分析,发现并验证了非线性湍流模型对漩涡流场的适用性以及其相对于线性湍流模型的优越性。并将其应用于三维扭曲翼非定常空化流场以及三维截断翼非定常梢隙空化流场的模拟预报中,最后结合自主开发的噪声计算模块对其相应的空化流噪声进行了模拟预报。在三维扭曲翼非定常空化脱落特性方面,主空化脱落以及次级空化脱落现象被同时观察到。次级云空化溃灭后会在空泡尾缘区形成高压,从而导致了逆压梯度的形成,并为回射流提供能量,即次级空化脱落是回射流的形成原因。主脱落结束后,侧边射流仍然存在,并且仍然有足够的能量从片空泡尾缘两侧各切下一小块空泡结构,从而形成次级空化,可见侧边回射流是次级空化发生脱落的原因。最后,通过对基于最大空泡长度的无量纲空化脱落频率St_(L_c)=(fL_c)/U与空化数表达式(1+σ)~(1/2)之间的比值范围进行分析,并结合已有的三维水翼空化脱落规律以及本文的数值模拟结果,将前人提出的关于二者的线性关系从二维问题推广到了三维问题。在空化流噪声模拟方面,基于FW-H_(pds)的Farassat 1A积分形式解在OpenFOAM流体力学数值模拟平台上,添加了自主开发的流体动力学辐射噪声计算模块。并分别以NASA基准流体动力学噪声实验以及中国船舶科学研究中心(CSSRC)提供的空化流噪声实验为验证算例,对该噪声计算模块的适用性进行了验证。并对三维扭曲翼空化流噪声特性进行了分析,发现三维扭曲翼空化流噪声主要集中在低频区,且空化流噪声的强弱不仅与空泡长度有关,还与空化脱落模式有关,而次级空化脱落的存在会导致空化流噪声出现显著增强。最后,我们对更为贴近工程实际的三维截断翼非稳态梢隙空化流场以及相应的空化流噪声进行了模拟研究,系统分析了不同攻角条件下间隙尺寸变化对梢涡轨迹、翼型水动力性能、流场的非定常特性以及空化流噪声特性的影响。研究表明随着间隙尺寸的减小,间隙处的流动会逐渐由绕流形态转变为射流形态,梢涡轨迹则会在间隙射流的作用下逐渐向远离翼面的方向运动。在无空化条件下,随着间隙尺寸的减小翼型的升力系数会随之增加而阻力系数则会随之减小,且翼型升阻比在间隙为0时达到最大值;而空化后,翼型的水动力性能会有所下降,并且在大攻角以及小间隙条件下空化的危害达到最大。在流场的非定常特性方面,随着攻角的减小,流场扰动的来源会逐渐由翼型吸力面处的附着涡脱落转变为翼型尾缘处的尾涡脱落。为了方便对不同间隙条件下的梢涡对流场的影响进行分析,我们提出了梢涡关键影响区的概念,类比边界层厚度的定义方式,发现以归一化的当地升力系数C_(lL)/C_(lL(z=1.5c))≤0.97表示的区域作为梢涡关键影响区较为合理。并认为,在大间隙条件下,梢涡对流场非定常性的抑制作用较强的原因是梢涡的关键影响区较大;而在小间隙条件下,梢涡对流场非定常性的抑制作用较弱的原因是梢涡的关键影响区较小。最后通过对空化流噪声进行计算分析,发现攻角以及间隙都对三维截断翼梢隙空化流场的辐射噪声有显著影响。不同攻角条件下,流场的噪声源分布不同,且攻角越小辐射噪声越弱;而改变间隙尺寸虽然不会显著改变噪声源的分布,但会对空化流噪声的强度产生较大影响,在攻角相同时,间隙越小辐射噪声就越强;而且空化流噪声对流场的非定常性很敏感:即使是微弱的流动脉动也有可能会导致较强的噪声辐射。论文建立了一套完整的基于非线性湍流模型以及可渗透形式的FW-H方程(FW-H_(pds))的非稳态空化流场及其辐射噪声的数值预报方法。通过对三维扭曲水翼的非稳态空化流场以及三维截断翼的非稳态梢隙空化流场的精细数值模拟、实验数据对比验证以及机理特性分析,获得了以漩涡分离流动为主的湍流空化流场的非定常流场特性及其相应的辐射噪声特性,可为工程实践中相关流场和噪声场的快速预报提供技术支持。


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