基于OpenFOAM的绕水翼空化流动与湍动能输运研究

摘要

空化流动是水力机械运行稳定性的核心关键问题，急需开展空化对水力机械或绕流水翼流动结构及能量演化影响的研究。本文基于已有的实验结果，应用开源数值计算软件OpenFOAM改进湍流模型，对绕NACA66水翼的空化流动进行数值模拟，并通过与实验结果对比，验证了数值计算的准确性和修正模型的精度提升效果。进而根据流场计算结果，分析绕二维水翼非定常空化流动的流动状态和动力学特性。通过分析湍动能分布与空泡体积分数、空化发展阶段和空化数之间的关系，以及根据湍动能输运方程，深入分析湍流与空化发展之间的交互作用，在湍动能输运的层面上获得空化内部流动机理。
　　本文的主要研究内容如下:
　　(1)针对标准SST k-ω湍流模型在空化流动计算中的不足，在OpenFOAM中对其进行局部可压缩修正和曲率修正，并应用修正模型对绕水翼的非定常空化流动进行数值模拟，并与实验结果和原模型计算结果比较，验证了数值计算的准确性和修正模型的精度提升。
　　(2)基于修正模型的计算结果对空化发展周期内空泡体积分布、空化发展和脱落过程中的流线分布以及空化发展周期内的压力脉动等空化流动特性的分析，发现SST k-ω修正模型对云空泡脱落的频率预测较低但更接近实验结果，获得了更加准确的非定常空化流动状态和动力学特性。
　　(3)通过对不同空化数下的空化发展周期内湍动能分布和沿流线的湍动能分布进行研究，分析了湍动能分布与空泡体积分数、空化发展阶段和空化数之间的关系，发现湍动能分布与空泡体积分数的变化程度有关，在空化处于稳定的状态或无空化产生时，湍动能接近为0;空泡体积分数变化越剧烈，湍动能越大。
　　(4)深入分析湍动能输运与空化发展过程之问的关系，发现空泡的产生、空泡脱落运动和回射流现象会促进湍流的产生，而湍流则会反过来促进空泡的产生和溃灭。空泡的运动会促进湍动能的生成，并导致湍动能因流体的粘性出现耗散;在空泡的汽液相交界区，空泡的产生和溃灭会在很大程度上影响湍动能的输运，主要体现在压力作用项和应力扩散项的变化;粘性扩散项只在水翼尾流区域的空泡脱落阶段对湍动能的输运有影响，在其他阶段可以忽略。

目录

声明

摘要

1．1 课题研究背景、目的和意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究目的和意义

1．2 水翼空化流动国内外研究现状

1．2．1 水翼空化流动的实验研究现状

1．2．2 水翼空化流动的数值研究现状

1．3 OpenFOAM在空化流动研究中的应用

1．4 本文研究的主要内容

第二章 空化流动数值研究理论基础

2．1 流体运动的基本控制方程

2．2 湍流模型

2．3 湍流模型的修正

2．3．1 局部可压缩修正

2．3．2 曲率修正

2．3．3 SST k-ω修正湍流模型

2．4 空化模型

2．4．2 常用的空化模型

2．5 OpenFOAM简介

2．6 本章小结

第三章 绕水翼空化流动特性研究

3．2．1 几何模型

3．2．2 网格划分

3．2．3 边界条件和计算设置

3．3 计算结果及分析

3．3．1 计算结果与实验结果验证

3．3．2 绕水翼非定常空化流动动力学特性分析

3．4 本章小结

第四章 空化流动中湍动能输运研究

4．1 不同空化类型的空化流动周期内湍动能分布

4．1．1 空化数为1．25的空化周期内湍动能分布

4．1．2 空化数为0．8的空化周期内湍动能分布

4．1．3 空化数为1．5的空化周期内湍动能分布

4．2 沿流线的空泡体积分数与湍动能分布变化

4．3 湍动能输运分析

4．3．1 湍动能输运方程

4．3．2 空化流动周期内湍动能输运分析

4．4 本章小结

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果