超空化流动数值模拟与实验研究

摘要

空化是指在一定条件下液体介质内部出现蒸汽泡或蒸汽穴的现象。通常高速流动是空化发生的原因，它导致液体介质中局部压力低于液体的饱和蒸汽压，液体汽化而形成空泡。在流体机械中，空化的发生会引起设备运行特性的改变、空蚀破坏、振动及噪声等一系列问题，空化严重时甚至会使机组无法正常运行。随着各类水力机械和水面水下运载工具航速的大幅度提高，空化的发生将不可避免，然而空化的极端发展形态-超空化，对水下航行体减阻技术又具有极其重大的意义。历经几代人对超空化的认识和研究，直至1994年，俄罗斯成功地研制出第一枚航速可达200节的超空泡鱼雷，打破了传统认为的水下航行体最高速只有140节的观点，引发了世界各军事强国研究超空泡的热潮。
　　 在这样的背景下，空泡流动特性及其机理研究、水下航行体超空化的研究、发展合理的空泡流模型及复杂三维非定常空泡流数值计算方法的研究成为了当前水动力学研究的前沿课题，其不仅具有重要的理论意义，而且有着广泛的工程应用价值。
　　 本文的主要研究内容和创新性成果如下：
　　 1.基于完全空化模型和混合流体两相流模型，对RNGκ-ε二方程湍流模型做了改进，通过修正限制了空化区域内的湍流粘度，同时考虑平均流动中的旋转及旋转流动特性对空化区域的影响；在空化模型中，改变相变起始压力，并考虑了湍流压力波动对空化的影响，从而满足空化计算的稳定性与准确性要求。
　　 2.对圆盘空化器的超空化流动进行了数值模拟计算，通过计算结果与经典的势流解析解及可靠实验半经验公式的对比，验证了本文所发展的数值计算方法对超空化流动问题的适用性。计算得出的光滑空泡形态、空泡尺寸、压力分布、流动特性等与解析解及实验数据吻合良好。
　　 3.设计了空化水洞实验台，运用高速数码摄像技术对各空化数及各攻角下绕水翼的空化流场形态进行拍摄记录实验，描述了绕水翼各个空化阶段的非定常空化流场结构、流动特性及空泡演化过程等，并定性与定量地对影响空泡形态的因素进行了分析，得出了空泡尺度与水翼攻角等之间的关系，为工程应用中空泡形态的控制提供了一定的实验依据。
　　 4.基于数值计算模型及方法准确性的验证，对空化水洞中的实验在相同工况下进行了数值计算。计算得到的绕水翼空化初生、片状空化、云状空化及超空化形态与实验拍摄到的基本一致；不同空化数下空化发生的位置、程度以及空化云的形成、发展、脱落的周期性变化等与实验结果相当接近，进一步验证了计算模型及方法的可靠性与适用性，揭示了空化流场内部流动规律。