水质对梢涡空化初生的影响研究

摘要

梢涡空化是实船螺旋桨上最早发生的空化类型，会导致强烈的噪音、震动以及剥蚀等后果，因此工程领域中对于其准确的预报有着迫切的需求。水质对梢涡空化的初生有着很大的影响，但是由于当前已有的几种宏观空化模型均不考虑水质的影响，因此目前还缺乏合适的定量评估方法，亟需发展适用于梢涡空化的预报的理论和模型。本文基于Eulerian-Lagrangian方法的研究框架，以叶梢涡流场为背景，气泡运动学和动力学为基础，采用理论分析、数值模拟等方法，研究气核在梢涡流场中的迁移、生长过程，解释具有一定气核谱分布的水质条件如何影响梢涡空化的初生。在此基础上结合实验结果，对水质条件的影响进行分析和模化，建立适用于梢涡空化的新理论和新模型。
　　本文首先基于OpenFOAM平台，针对截面为NACA662-415的椭圆水翼采用DDES湍流模型进行高精度的梢涡流场的数值模拟，并通过梢涡全湿流场中的结果与实验结果的对比，验证了DES湍流模型的模拟的准确性。然后求解气核在理想涡核内的运动方程的理论解用以说明平台对气核的模拟精度，求解气核在理想涡中的运动方程的解析解以便快速得到气核的捕捉时间。最后，一方面在上述得到的真实的梢涡流场中释放按照实验中测量的气核谱分布中的气核，根据各气核在模拟中的运动轨迹及生长情况判断最先出现爆发性生长的气核，另一方面根据真实的梢涡流场的涡核半径和环量建立一个理想的Rankine涡流，并在其中播放同一气核谱分布中的气核，解析解将快速得到各气核的捕捉时间，从中筛选捕捉时间在临界时间内的所有气核中尺寸最大的一个作为最早发生爆发性生长的气核，将其尺寸与模拟中筛选得到的尺寸对比，验证解析解快速筛选气核的准确性，并假设以该气核的张力作为液体的抗拉强度，即水质对梢涡空化初生的定量影响，修正以实验结果插值得到的无水质影响时的空化数，与相应水质下的初生空化数比较以验证上述假设的准确性。
　　总之，本文展开了水质对梢涡空化初生的影响的定量研究，并在分析与模化后提出了适用于梢涡空化的新模型。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1．1 空化现象及分类

1．1．2 梢涡空化简介

1．1．3 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文研究目标及主要内容

1．3．1 论文研究目标

1．3．2 论文的主要内容

2 梢涡空化相关的理论基础与数值方法

2．1 梢涡的理论背景

2．2 梢涡流场的数值模型

2．2．1 控制方程

2．2．2 霄诺平均数值模拟(RANS)

2．2．3 大涡模拟(LES)

2．2．4 分离涡模拟(DES)

2．2．5 数值方法

2．3 气核的相关理论

2．3．1 气核平衡理论

2．3．2 球泡动力学模型

2．4 OpenFOAM平台简介

2．5 本章小结

3 椭圆水翼梢涡流场的数值模拟

3．2 计算网格及数值设置

3．3 关于平均流场的结果分析

3．3．1 梢涡涡心轨迹

3．3．2 梢涡涡量发展

3．3．3 梢涡结构

3．4 关于脉动流场的结果分析

3．4．1 湍动能的演化

3．4．2 雷诺应力和应变

3．5 本章小结

4 气核在理想涡流中的运动和生长

4．1 引言

4．2 涡核内气核运动的理论解

4．3 涡核外气核运动的解析解

4．4 OpenFOAM平台关于气核运动和生长的求解器的实现说明

4．4．1 OpenFOAM平台与粒子相关的内容介绍

4．4．2 OpenFOAM平台与粒子相关的相应修改

4．5 非生长气核的捕捉时间

4．6 生长的气核的捕捉时间

4．7 理想涡流中具有确定分布的气核群的运动和生长

4．8 本章小结

5 水质对梢涡空化初生的影响的定量研究

5．2．1 实验装置

5．2．2 实验结果分析

5．3 数值模拟的梢涡流场中具有确定分布的气核群的运动和生长

5．3．1 播放气核

5．3．2 结果分析

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 本文工作总结

6．2 研究展望

参考文献

附录

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