气核参数与壁面特性对二维水翼空化比尺效应的机理研究

摘要

本文针对气核参数与壁面特性对二维水翼空化比尺效应的机理进行研究，以NACA4412翼型为研究对象，研究绕不同尺寸翼型流动产生的空化比尺效应进行研究，首先对平行壁面间液氩中空化过程的异质成核进行研究，然后将微观空泡理论研究成果联系到简化的二维翼型空化过程中，研究了二维水翼空化过程中的比尺效应现象，具体研究内容如下： 1.采用微观分子模拟手段研究平行铂壁面间液体氩中空化核的瞬态特性。对壁面间一定尺寸稳定存在的空化核进行不同拉伸和不同壁面润湿性研究，对空化核的生长、系统压力和系统总压力进行分析。结果表明系统Pt壁面间稳定存在的空化核生长状况与系统的亚稳态程度及壁面润湿性息息相关。壁面的拉伸距离存在临界值，大于临界值的拉伸造成系统的不稳定性程度越大，从而利于空化核的生长，空化约剧烈。相对于疏水性壁面间的空化核体积缩小，亲水性壁面间的空化核体积明显增大，更利于空化核的生长，利于空化核的自发生长行为，而疏水性壁面对空化核有抑制作用，联系宏观空化现象，壁面的亲水性越强在壁面产生的初生空化数越多，越利于空化的发生。 2.对弦长分别为75、100、150mm的三个NACA4412水翼进行数值模拟分析，研究空化初生、发展、溃灭、再生的非定常流动过程。结果表明在空化初生阶段，150mm弦长的翼型空化初生现象最为剧烈，结合微观壁面空化研究，得出尺寸越大的翼型前缘低压区强度越强，系统失稳程度的增大越利于空化核生长，所以当来流中气核数相同时，尺寸大的翼型越利于提高初生空化的产生。并且验证了翼型表面空化尾部脱落与翼型尺寸的关系，不同尺寸下空泡尾部高压区对主体空化的推挤强度不同，造成各自空化回缩距离不相同，尺寸越小情况下的主体空泡回缩距离越小。翼型尺寸大小也决定着绕翼型流动的空化非定常脉动频率，在相同空化数条件下，不同尺寸翼型的空化非定常脉动周期时间与翼型尺寸呈正相关。 3.对三种尺寸的NACA4412翼型进行空化试验研究，分析了不同空化数情况下，不同尺寸翼型间空化比尺效应的差异，分析结果表明初始空化数的大小对空化比尺效应的影响在于：空化过程的形貌、再生空化的出现。而试验结果与数值模拟结果之间的差异是由不同粗糙度表面以及流体介质中不凝结气体含量不同导致。

目录

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1.1课题研究背景及意义

1.1.1 空化基本理论

1.1.2 空化的危害及应用价值

1.1.3 空化比尺效应的危害

1.2 国内外空化研究现状

1.2.1 国内外二维水翼空化研究现状

1.2.2 空化比尺效应的研究现状

1.2.3 国内外微观空化研究现状

1.3 本课题研究的主要内容

第二章 空化模拟技术

2.1 微观空化模拟技术基本原理

2.1.1 力场概述及选择

2.1.2 牛顿运动方程的数值解法及运用

2.1.3 分子动力学模拟边界条件分类及设置

2.1.4 分子动力学模拟过程中系综选择

2.2 分子动力学模拟应用软件种类

2.3数学计算模型

2.3.1 控制方程

2.3.2 Zwart-Gerber-Belamri空化模型

2.3.3 湍流模型

2.4 本章小结

第三章 纳米级壁面间液体空化初生特性分子模拟

3.1微观模型建造

3.2 不同壁面拉伸程度下壁面空化核模拟结果及分析

3.2.1 壁面空化核成长演变过程

3.2.2 壁面空化核z方向分子数密度分布变化

3.2.3 系统压力与能量变化

3.3 不同壁面湿润程度下空化核变化模拟结果及分析

3.3.1 壁面空化核成长演变过程

3.3.2 壁面空化核z方向分子数密度分布变化

3.3.3 系统压力与能量变化

3.4 本章小结

第四章二维水翼空化数值模拟

4.1几何模型及模拟设置

4.2不同尺寸翼型对二维翼型空化过程的影响计算结果及分析

4.2.1 弦长为75mm时空泡体积分数以及压力场变化图

4.2.2 弦长为100mm时空泡体积分数以及压力场变化图

4.2.3 弦长为150mm时空泡体积分数以及压力场变化图

4.3空泡脉动频率的研究

4.4本章小结

第五章翼形空化试验

5.1 试验模型与测试系统

5.1.1 试验台

5.1.2 试验用翼形模型

5.1.3 高速摄影拍摄系统

5.2 试验方案及步骤

5.3 试验结果分析

5.3.1空化数为1.89

5.3.2空化数为1.15

5.4 试验与模拟结果对比

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 研究结果总结

6.2 工作展望

参考文献

致 谢

攻读硕士期间发表的学术论文及工作内容