一种准确预测绕水翼多尺度空化流动的方法技术

本发明专利技术公开的一种准确预测绕水翼多尺度空化流动的方法，属于叶轮机械技术领域。本发明专利技术实现方法为：在欧拉体系下求解宏观尺度连续介质空化过程，在拉格朗日体系下模拟亚网格尺度微气泡与空化核的演化过程，建立可解尺度宏观空泡与亚网格尺度微气泡相互作用与相互转化的算法；模拟多尺度空化流动演化过程、空泡在微观尺度与连续介质尺度之间的转化以及空化湍流流动对微尺度空泡时空分布特性等，获得流场多尺度空泡演变特性及离散空泡在一个空化周期内的时空分布特征，分析湍流流场结构对多尺度空泡演变规律的影响，预测绕水翼云空化湍流流动的多尺度特征。本发明专利技术有助于解决叶轮机械应用领域工程技术问题。本发明专利技术具有预测效率高、可靠性强等优点。可靠性强等优点。可靠性强等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种准确预测绕水翼多尺度空化流动的方法


[0001]本专利技术涉及一种准确预测绕水翼多尺度空化流动的方法，尤其涉及一种绕NACA66水翼空化流动的数值模拟计算方法，属于叶轮机械


技术介绍

[0002]空化是水力机械中不可避免的一种水动力学现象，当流场内局部压力降低到一定程度时，会引起汽液相变和空化核子生长，使得流场呈小尺度空泡生长溃灭行为和大尺度云空化或片空化脱落演变行为共存的多相多尺度状态，加剧了流动过程的时空复杂性。空化作为一种包含空化核子生长、汽泡的形成、发展和溃灭的强瞬态汽液两相流动现象，伴随着复杂的多相多尺度结构。空化现象对于传统水力机械来说通常会带来显著的不利影响。以螺旋桨为例，当螺旋桨达到一定转速后，叶片表面会发生空化，无论转速如何增加螺旋桨的推力都不会增大，推进效率甚至会下降，叶片表面空化产生的空泡会使得叶片表面出现材料剥蚀的情况，降低使用寿命。相似的情况也常发生在水泵和水轮机中，空泡的生长、溃灭等过程还会影响水泵、水轮机的正常工作效率，空泡脱落过程中空泡体积剧烈脉动导致的脉动压力以及微尺度空泡云团溃灭载荷等极易改变水力机械的性能、破坏过流部件表面和产生振动噪声，造成叶片的疲劳破坏。更严重的是，当机械内部的空泡在产生、生长、溃灭过程中诱发的冲击波频率和机械自身的固有振动频率一致时，会形成共振，成为安全隐患甚至会引发极其严重的灾难性事故。除了空泡引起的振动之外，材料表面侵蚀也是船用推进器和涡轮机的一个关键问题，因为它会显著增加维护成本，影响设备的使用性能和安全。分析水翼周围在空化过程中空泡形态非定常演化特征，对表征水力机械和水下航行体在复杂流动中的稳定性有着重要意义。
[0003]当前的空化问题研究局限于对图像进行处理与分析，尚不能对空化内部瞬态流场结构进行准确的定量分析，制约了对空化流场多尺度特征的认知。数值计算方法一直是空化研究的主要手段之一。目前主要是采用欧拉法通过求解全流场的N
‑
S方程对连续尺度空化进行模拟。然而，欧拉方法仅能得到宏观空泡形态和水动力学特性，忽略了亚网格汽泡尺度分布、相间滑移、亚网格汽泡和湍流的相互作用等重要因素。而拉格朗日方法可以追踪模拟亚网格微气泡的运动轨迹与尺度演化过程，完成微尺度下微空泡运动与变化的求解计算。但拉格朗日方法无法准确反映宏观尺度下因相变产生的空泡形态。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提升水力机械和水下航行体在复杂流动中的稳定性，提供一种准确预测绕水翼多尺度空化流动的方法，该方法基于欧拉
‑
拉格朗日双向耦合算法对绕水翼空化流动展开计算，首先在欧拉体系下求解宏观尺度连续介质空化过程，在拉格朗日体系下模拟亚网格尺度微气泡与空化核的演化过程，同时建立可解尺度宏观空泡与亚网格尺度微气泡相互作用与相互转化的算法。从而模拟多尺度空化流动演化过程、空泡在微观尺度与连续介质尺度之间的转化以及空化湍流流动对微尺度空泡时空分布特性等，预测绕水翼
云空化湍流流动的多尺度特征，包括欧拉体系下的片状空泡生长、回射流发展及云空泡脱落与拉格朗日体系下离散空泡的运动、生长溃灭以及微尺度空泡在欧拉和拉格朗日体系间的过渡。为分析湍流流场结构对多尺度空泡演变规律的影响提供依据，有助于解决叶轮机械应用领域工程技术问题。本专利技术具有预测效率高、可靠性强等优点。
[0005]本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的：
[0006]基于欧拉
‑
拉格朗日联合算法的绕水翼多尺度空化流动计算方法，包括如下步骤：
[0007]步骤一：基于仿真软件建立三维水翼模型；
[0008]根据水翼弦长确定计算域尺寸、水翼前缘距计算域入口的距离以及水翼前缘距计算域上表面的距离；在设定速度入口、压力出口、入口来流速度、出口压力、空化数、流体介质、动力粘度、常温下饱和蒸气压后，采用全结构化网格对流体域进行网格划分，对水翼的前缘、尾缘以及尾流区进行加密处理；
[0009]步骤二：针对计算流域依次求解欧拉连续性方程、动量方程及空化质量输运方程，基于SIMPLEC算法进行压力
‑
速度耦合求解，获得速度场及压力场信息；
[0010]步骤二具体实现方法为：首先基于欧拉法，采用LES方法对连续相流场进行模拟，其连续性方程和动量方程的微分形式为：
[0011][0012][0013]其中，F
s
为连续尺度空泡表面张力；S
b
为由离散空泡产生的源项；P为流场压强，u为流体流速，下标i和j表示方向；
[0014]通过式(1)和(2)求解连续相流场，根据每个求解单元中流体混合密度ρ
m
获得液相体积分数α
l
及气相体积分数α
v
，ρ
m
＝α
l
ρ
l
+α
v
ρ
v
，下文中下标l及v分别表示液相及气相数据；利用VOF方法实现对连续介质尺度空泡界面的位置和方向进行捕捉
[0015][0016]其中和分别表示蒸发和凝结源项；水汽混合相密度ρ
m
及混合相粘性系数μ
m
分别为
[0017]ρ
m
＝ρ
l
α
l
+ρ
v
α
v
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0018]μ
m
＝μ
l
α
l
+μ
v
α
v
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0019]式(2)中τ
ij
为亚格子应力，表示为
[0020][0021][0022]μ
t
为亚格子湍流黏度，采用WALE模型对其进行处理
[0023][0024][0025][0026]L
s
＝min(κd,C
S
V
1/3
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0027]其中，为解析尺度的应变率张量，为张量不变式，模型常数κ＝0.416，C
S
＝0.325；L
S
为亚格子混合长度，d近壁面网格尺度，V为计算单元体积；
[0028]其次需要求解空化质量输运方程，选择Schnerr
–
Sauer空化模型计算绕水翼空化流动过程中相变引起的质量输运率：
[0029][0030]式中，P
v
为饱和蒸汽压，P为当地压力，Cv和Cc为凝结和蒸发系数；R
B
为空泡半径表示为：
[0031][0032]其中，空泡数密度n＝10
13
；
[0033]步骤三、用随机填充的等体积离散空泡群代替流场内的小尺度蒸汽空穴；
[0034]所述小本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种准确预测绕水翼多尺度空化流动的方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：基于仿真软件建立三维水翼模型；根据水翼弦长确定计算域尺寸、水翼前缘距计算域入口的距离以及水翼前缘距计算域上表面的距离；在设定速度入口、压力出口、入口来流速度、出口压力、空化数、流体介质、动力粘度、常温下饱和蒸气压后，采用全结构化网格对流体域进行网格划分，对水翼的前缘、尾缘以及尾流区进行加密处理；步骤二：针对计算流域依次求解欧拉连续性方程、动量方程及空化质量输运方程，基于SIMPLEC算法进行压力
‑
速度耦合求解，获得速度场及压力场信息；步骤三、用随机填充的等体积离散空泡群代替流场内的小尺度蒸汽空穴；步骤四、根据步骤二已经获得的微尺度空泡周围的连续流场信息，依次计算空泡运动方程、动力方程及简化Rayleigh
‑
Plesset方程，求解微尺度气泡的运动、生长和溃灭；当单个求解单元内的离散空泡体积大于步骤一所划分的空泡当地网格体积时，将其转化为步骤二中可以利用VOF方法求解的空化泡，同时去除该离散空泡；步骤五、判断连续相及离散相计算结果是否达到收敛精度要求；如达到收敛标准执行步骤七；若未达执行步骤六；步骤六、基于步骤四计算得到的离散空泡计算结果修正欧拉控制方程，重复步骤二至四，将计算得到离散空泡中的动量交换项作为源项，修正连续相流场控制方程；步骤七、重复以上步骤，直至连续相及离散相均达到收敛精度要求后，进入下一时间步求解，并输出该时间步内流域信息，实现绕水翼多尺度空化流动预测。2.如权利要求1所述的一种准确预测绕水翼多尺度空化流动的方法，其特征在于：步骤二具体实现方法为：首先基于欧拉法，采用LES方法对连续相流场进行模拟，其连续性方程和动量方程的微分形式为：和动量方程的微分形式为：其中，F
s
为连续尺度空泡表面张力；S
b
为由离散空泡产生的源项；P为流场压强，u为流体流速，下标i和j表示方向；通过式(1)和(2)求解连续相流场，根据每个求解单元中流体混合密度ρ
m
获得液相体积分数α
l
及气相体积分数α
v
，ρ
m
＝α
l
ρ
l
+α
v
ρ
v
，下文中下标l及v分别表示液相及气相数据；利用VOF方法实现对连续介质尺度空泡界面的位置和方向进行捕捉其中和分别表示蒸发和凝结源项；水汽混合相密度ρ
m
及混合相粘性系数μ
m
分别为
ρ
m
＝ρ
l
α
l
+ρ
v
α
v
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)μ
m
＝μ
l
α
l
+μ
v
α
v
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)式(2)中τ
ij
为亚格子应力，表示为亚格子应力，表示为μ
t
为亚格子湍流黏度，采用WALE模型对其进行处理为亚格子湍流黏度，采用WALE模型对其进行处理为亚格子湍流黏度，采用WALE模型对其进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘涛涛，郭智溥，田北晨，黄彪，王国玉，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：