蒸汽泡溃灭的数值模拟及空化模型的改进

摘要

空化流是一种普遍存在于水力机械中的复杂多相流动，涉及汽-液相变、热量交换、压力波等许多复杂现象。关于空化的实验、理论、数值研究都非常多，许多学者发展了不同的空化模型来模拟空化流，但对空化的机理性问题还缺乏足够的认识。本文采用基于VOF的直接数值模拟方法，从细观动力学角度出发，选取更符合实际的蒸汽泡为研究对象，研究了单个蒸汽泡、25、50到175个蒸汽泡在高压驱动下的溃灭过程，从泡溃灭的形态、压力场分布、溃灭时间、体积分数变化率等角度，分析了泡群的溃灭规律。
　　考虑表面张力、粘度和汽液两相的可压缩性，用汽-液相变模型模拟蒸发和凝结相变过程的计算方法，模拟得到的单个蒸汽泡在外界压力驱动下溃灭并产生小半径回弹，数值模拟得到的蒸汽泡的半径变化与Rayleigh方程解析解符合很好。蒸汽泡溃灭达到最小半径前后时刻，泡边缘处存在很大的压力、温度梯度，液体压力最大值出现在泡壁附近。溃灭达到最小半径时刻，泡中心点处压力、温度达到最大值，捕捉到高温高压现象。忽略汽相、液相的可压缩性，对蒸汽泡内的压力进行近似处理的简化蒸汽泡模型，获得了很好的结果，减少了计算量，为泡群的模拟提供了可能。
　　多泡溃灭由于泡-泡之间的相互作用，现象会比单泡溃灭更复杂。在单个蒸汽泡模拟的基础上，选取了适合泡群特点的计算模型，模拟了泡群溃灭过程。随着泡数量的增加，泡群溃灭时间增加;外界高压由压力边界传入计算域，首先接触到高压的蒸汽泡首先溃灭，泡呈现逐层溃灭特征;泡达到一定数密度以上，远离压力边界的泡初始一段时间体积变化都很小，不同区域体积曲线的斜率趋于一致;泡群溃灭后期，产生很高的压力，随着泡层数的增加，还会产生很强的射流。
　　统计了泡群溃灭模拟得到的溃灭时间、体积分数变化率，着重分析影响泡群溃灭过程的泡数目、压差与泡群体积分数变化率之间的关系，获得了与直接数值模拟得到的泡群溃灭规律符合较好的改进空化模型。改进空化模型基于直接数值模拟获得的数据，考虑了粘性、表面张力、泡-泡间相互作用等，与真实的空化现象更为符合。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 空泡运动的国内外研究现状

1．2．1 实验研究

1．2．2 理论研究

1．2．3 数值模拟

1．3 研究内容及创新点

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究创新点

2 泡动力学理论及数值模拟算法

2．1 泡动力学理论

2．1．1 球泡理论

2．1．2 空化中的热效应

2．2 数值模拟方法

2．2．1 控制方程

2．2．2 数值方法

2．3 本章小结

3 单个蒸汽泡溃灭过程的数值研究

3．1 数值模型及验证

3．1．1 数值模型

3．1．2 网格验证

3．2 计算结果分析

3．2．1 蒸汽泡溃灭与气体泡溃灭比较

3．2．2 蒸汽泡溃灭过程压力场、温度场分析

3．3 简化的蒸汽泡模型

3．4 本章小结

4 泡群溃灭过程的数值研究

4．1 计算模型的选取

4．2 不同泡数量的溃灭过程

4．2．1 数值模型

4．2．2 泡数量对溃灭时间的影响

4．2．2 泡形态和压力场分布

4．2．3 蒸汽泡体积变化

4．3 狭长区域内的泡群溃灭

4．4 本章小结

5 空化模型的改进

5．1 现有空化模型

5．2 改进的空化模型

5．2．1 不同泡数量的影响

5．2．2 不同压差的影响

5．2．3 改进空化模型的表达式

5．3 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

作者简历

攻读硕士期间主要研究成果