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水翼附着空化机理与被动控制研究

车邦祥  
【摘要】:附着空化是水力机械中一种重要的空化形式,随空化长度增大,逐渐由较为稳定的片空化转变为周期性脱落的云空化,脱落的云空泡溃灭造成严重的汽蚀、噪声和振动,因此,揭示附着空化的产生和演化机理,并控制其产生和不稳定脱落,对水力机械的安全运行具有重要意义。本文基于空泡循环水洞实验和流场数值模拟,以典型的NACA 0015水翼为对象,研究了水翼附着空化的产生和不稳定脱落机理,并采用横向障碍物和微型涡流发生器等方法控制附着空化的产生和不稳定脱落。(1)研究发现水翼上部分空泡振荡阶段,片空化沿展向呈近似二维分布,中间回射流对空泡脱落起主导作用。在过渡态空泡振荡阶段,空泡尾部闭合线沿展向呈凹陷状,对称的侧向回射流在空泡脱落过程中起主导作用,侧向回射流的碰撞及与空泡界面的作用导致空泡的多阶段脱落过程。(2)研究了水翼表面横向障碍物对云空泡脱落的抑制作用,发现障碍物弦向位置是影响控制效果的关键因素。进一步开展了参数化实验,基于响应曲面法建立了障碍物位置与空化特征参数间的回归方程,得到了不同空化条件下障碍物位置对控制效果的定量影响。研究发现,障碍物可通过阻碍近壁面流体流动增大近壁面压力,从而不仅对云空化具有很好的抑制效果,也可有效地抑制片空化发展。(3)针对边界层分离诱导附着空化问题,提出在水翼前缘流动分离线附近设置微型涡流发生器阵列的控制方案,研究了微型涡流发生器对附着空化的控制作用,发现微型涡流发生器可诱发对漩流向涡。在无空化状态下,对漩涡增大了边界层内流体动能,有效缓解或抑制了流动分离;在空化状态下,微型涡流发生器在水翼前缘可产生一种新型空化组合结构,即涡空化—过渡段—附着空化,显著区别于光滑水翼上附着空化的“手指状”前缘结构。(4)研究了水翼前缘微型涡流发生器对附着空化总体稳定性的影响,发现在部分空泡和过渡态空泡振荡阶段,微型涡流发生器可增大空泡总体长度,减小空泡脱落的St数和主频率。微型涡流发生器所诱发稳定的对漩涡和涡空化结构,对近壁面流动具有整流作用,从而可消除来流中的横向扰动,使得空化展向结构具有很好的对称性,脱落过程呈现显著的周期性。本文在现有经典研究成果的基础上,研究附着空化脱落过程中回射流的作用机制以及表面压力脉动特性,新发现了对称侧向回射流在过渡态空泡脱落阶段的作用机制,阐明了边界层分离对附着空化形成的影响,提出采用横向障碍物和微型涡流发生器的被动控制方法,实现水翼附着空化的稳定性控制,成果可用于支撑水力机械空化控制和优化设计研究。


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