绕水翼非定常空化流场数值模拟
●排灌机械工程学报 暖霸鞠黧霸一Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｄｒａｉｎａｇｅ ａｎｄ Ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｌ 第２期－Ｎｏ．２一 ■ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４—８５３０．２０１２．０２．０１４ 绕水翼非定常空化流场数值模拟 杨敏官，尹必行，康灿，孙鑫恺，车占富 （江苏大学能源与动力工程学院，江苏镇江２１２０１３） 摘要：基于Ｒｅｙｎｏｌｄｓ平均法，采用ＲＮＧ ｋ— 模型及Ｍｉｘｔｕｒｅ两相流模型，对绕攻角１０。的ｙｓ９３０ 水翼非定常空化流动进行了数值模拟，分析了空化数分别为１．０’０．８。Ｏ．５时的空化流场结构、流 动特性及空泡演化过程等．结果表明：云状空泡由两部分组成，前一部分为空泡主体，稳定附着于 水翼吸力面上，其内部充满水蒸气，压力为汽化压力；后一部分为空泡附体，为周期性气液两相运 动区域．空泡前端位置基本稳定，空泡主体长度随时间变化先增大后减小；空泡主体长度由空化 数和回射流强度共同决定．空泡厚度随时间变化先增大后减小，空化数越小，空泡能达到的最大 厚度越大，同时最大厚度出现位置越靠近水翼尾缘．回射流的强度与空化数成反比，空化数越小， 回射流强度越大，来流与回射流的相互作用决定了空泡附体脱落的位置． 关键词：水翼；空化；回射流；数值模拟 中图分类号：￥２７７．９；ＴＶ１３１．３２文献标志码：Ａ文章编号：１６７４—８５３０（２０１２）０２—０１９２—０６ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｕｎｓｔｅａｄｙ ｃａｖｉｔａｔｉｎｇ ｆｌｏｗ ａｒｏｕｎｄ ｈｙｄｒｏｆｏｉｌ ｙ０ Ｍｉｎｇｕａｎ，Ｙｉｎ Ｂｉｘｉｎｇ，Ｋａｎｇ Ｃａｎ，Ｓｕｎ Ｘｉｎｋａｉ，Ｃｈｅ Ｚｈａｎｆｕ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｅｒ￣ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅ￣ｉａｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ ２１２０１３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｒｅｙｎｏｌｄｓ ｔｉｍｅ—ａｖｅ ｒａｇｅｄ Ｎ—Ｓ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ，ｔｈｅ ｕｎｓｔｅａｄｙ ｃａｖｉｔａｔｉｎｇ ｆｌｏｗ ａｒｏｕｎｄ ｙｓ９３０ ｈｙｄｒｏ￣ｉｌ ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ＲＮＧ ｋ一 ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｉｘｔｕｒｅ ｔｗｏ－ｐｈａｓｅ ｃａｖｉａｔａ— ｔｉｏｎ ｍｏｄｅ１．Ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｕｎｓｔｅａｄｙ ｃａｖｉｔａｔｉｎｇ ｆｌｏｗ ａｎｄ ｔｈｅ ｃａｖｉｔｙ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｒｏｕｎｄ ｔｈｅ ｈｙｄｒｏ￣ｉｌ ａｔ ａ １０ ｄｅｇ ａｔｔａｃｋ ａｎｇｌｅ ａｔ ｔｈｒｅｅ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｎｕｍｂｅｒｓ １．０，０．８ ａｎｄ ０．５ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅ・ ｓｕｈｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｔｗｏ ｐａｒｔｓ ｉｎ ａ ｃａｖｉｔｙ，ｔｈｅ ｆｒｏｎｔ ｐａｒｔ ｉｓ ａｔｔａｃｈｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｓｕｃｔｉｏｎ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｈｙ— ｄｒｏｆｏｉｌ ａｎｄ ｆｕｌｌ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｖａｐｏｒ．Ｔｈｅ ｒｅａｒ ｐａｒｔ ｉｓ ｔｈｅ ｐｅｒｉｏｄｉｃ，ｕｎｓｔｅａｄｙ，ｃｏｌｌａｐｓｉｂｌｅ ｔｗｏ—ｐｈａｓｅ ｆｌｏｗ ｚｏｎｅ．Ｔｈｅ ａｔｔａｃｈｉｎｇ ｐｏｉｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒｏｎｔ ｐａｒｔ ｉｓ ｂａｓｉｃａｌｌｙ ｓｔａｂｌｅ，ｔｈｅ ｌｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｖｉｔｙ ｉｎｉｔｉａｌｌｙ ｉｓ ｉｎ— ｃｒｅａｓｅｄ，ｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔｌｙ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ．Ｔｈｅ ｌｅｎｇｔｈ ｉｓ ｄｅｃｉｄｅｄ ｂｙ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｎｕｍｂｅｒ ａｎｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｒｅ—ｅｎ— ｔｒａｎｔ ｊｅｔ ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ．Ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｖｉｔｙ ｆｉｒｓｔｌｙ ｒｉｓｅｓ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｉｓ ｒｅｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｓｍａｌｌｅｒ ｔｈｅ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｎｕｍｂｅｒ，ｔｈｅ ｃｌｏｓｅｒ ｔｏ ｔｈｅ ｔｒａｉｌｉｎｇ ｅｄｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｈｙｄｒｏｆｏｉｌ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｌｏｃａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｒｅ—ｅｎｔｒａｎｔ ｊｅｔ ｉｓ ｉｎｖｅｒｓｅｌｙ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ｔｏ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｎｕｍｂｅｒ，ｔｈｅ ｓｍａｌｌｅｒ ｔｈｅ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ Ｈｕｍ— ｂｅｒ，ｔｈｅ ｌｏｗｅｒ ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｒｅ—ｅｎｔｒａｎｔ ｊｅｔ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｔａｃｈｉｎｇ ｐｏｉｎｔ ｏｆ ｃａｖｉｔｙ ｉｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｃｏｍｉｎｇ ｆｌｏｗ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅ—ｅｎｔｒａｎｔ ｊｅｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｙｄｒｏｆｏｉｌ；ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ；ｒｅ—ｅｎｔｒａｎｔ ｊｅｔ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 空化是发生在水力机械流道中的一种物理现象， 空化的发生常伴有水体阻力增大、压力波动、振动及 噪声等现象．在空化发展的后期会发生空泡群的破灭 和脱落，并可能引起强烈的振动、噪声和空蚀 ． 目前对空化机理尚未认识清楚，众多学者通过试 验的方法对空化形态进行研究．李向宾等 利用数字 收稿日期：２０１１—０８—２４ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０７７６０４０）；江苏省高校优势学科建设工程项目 作者简介：杨敏官（１９５２一），男，江苏常州人，教授，博士生导师（ｍｇｙａｎｇ＠ｕｊｓ．ｅｄｕ．ｃｎ），主要从事流体机械性能及内部多相流动研究 尹必行（１９８７一），男，江苏泰兴人，硕士研究生（ｍｏｐｑｉａｎｇｙｉｎ＠１６３．ｃｏｎ），主要从事流体机械性能及内部多相流动研究．
Ｉ １９３［１ 式粒子图像测速系统，并辅以高速摄像，对绕水翼流 动进行观测，发现空化发展对整个流场的涡量变化起 决定作用．Ｌｉ等 的试验指出空化区域内充满了空 泡和水的混合物，并指出了空化发展的基本形态． 为了从空化流动的表面现象深入研究其物理本 质，近年来，众多学者借助数值模拟进行研究．常用的 方法有基于单相流动和多相流动 的２种数值模 拟方法．王福军等 认为空穴形态非定常变化导致的 非定常动力会引起水力机械叶片的疲劳破坏．刘巨斌 等 采用基于传输方程的空化模型对定常自然空化 流场进行数值计算，计算结果与试验结果吻合较好． 然而，对绕水翼非定常空化流场的结构及演化 过程研究得较少．文中对绕攻角１０。的ｙｓ９３０水翼在 空化数为１．０，０．８及０．５时的空化流场进行数值模 拟研究，对空化形态和发展机理进行讨论，探讨绕水 翼的空化流动特点． １数值计算模型及边界条件 绕流体为ｈｙｄｒｏｆｏｉｌ ｙｓ９３０水翼，弦长为ｆ，图１，２ 分别为其流场计算区域及水翼局部网格，ＯＬ为攻角． 计算区域采用结构化网格，并对水翼附近流动区域 进行网格加密，总网格数为２０２ ０００． 图１水翼空化流场计算区域 Ｆｉｇ．１ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｄｏｍａｉｎ ｏｆ ｃａｖｉｔａｔｉｎｇ ｆｌｏｗ ａｒｏｕｎｄ ｈｙｄｒｏｆｏｉｌ 图２攻角１０。水翼局部计算网格 Ｆｉｇ．２ Ｍｅｓｈ ａｒｏｕｎｄ ｈｙｄｒｏｆｏｉｌ ａｔ １０。ａｔｔａｃｋ ａｎｇｌｅ １．１控制方程 连续性方程： ＋蠹（… ； （１） 动量方程： ：一塑 Ｏｘ （ ＋ ＯＶｍｊ）．＋ ， （２） ｍ ＋ ＂ ， 式中：ｐ 为混合物密度； 为混合物速度；ｐ为压力； 为混合物动力黏度； 为表面张力， Ｐ Ｏｘｉ， （３） ＪＤｌ十 式中：ｐ。为液相密度；ｐ 为气相密度； ．为液相体积分 数； 为表面曲率，由当地气液界面上法向梯度求得： 去（Ｏｉ１．｝Ｏｘ Ｏｘ （４） ＼ 。 、 体积分数方程： 垫＋ （ ）：０． （５）Ｏ ｔ 、 、 １．２湍流模型 文中采用ＲＮＧ ｋ—ｓ两方程模式，湍动能ｋ和 湍流耗散率 的输运方程如下： 杀（ｐ。 ）＋去（ｐ． ）＝ ＯＸ（ ）＋Ｇ ＋ｊ Ｇｂ—Ｐｌ占一ｙ ＋Ｓｂ， （６） 击（ｐ ｓ）＋熹（ｐ ）＝毒（ 差）＋ Ｃ ８ 一（Ｇ＾＋Ｃ Ｇｈ）一ｃｚ Ｐ・｝＋Ｓ ， （７） 式中：“ 为速度； 为１．３９；Ｇ 为由于平均速度梯度 引起的湍动能ｋ的产生项；Ｇ 为由于浮力引起的湍 动能ｋ的产生项；ｙｎ１为代表可压湍流中脉动扩张的 贡献；Ｓｂ和Ｓ 为用户定义的源项；Ｃ ，Ｃ ，Ｃ， 为经 验常数； 为湍流黏性系数， ＝ ｐ）ｐｌ Ｃ ， （８） 式中：Ｃ 为模型常数，取０．９；，（ｐ）为密度函数， ｐｇ＋（ ） （９） 通过修正，限制了空化区域的湍流黏度，ｎ一般 取７～１５可获得合理计算结果，这里取ｎ＝１０． １．３空化模型 １）空泡体积分数方程： 啬（ｐ ）＋毒（ ：去（１７ ０Ｏｔｇ） ， （１０） 式中： 为气相运动黏度； 为气相体积分数； 为 质量转换系数；
ｓ 为源项，用于模拟空泡产生和溃灭 ｒｏ ｌ １．，ｌ／ 的过程． 叼＝ｐ ｄＲ ３ ＢＶ ａｇ，（１１） 叼 ｐｓ ， 式中：尺为空泡半径；６Ｖ为计算体的体积． Ｓ ＝４ ⅣＲ ｄＲ， （１２） Ｒ＝（ （１３ 式中：Ⅳ为单位控制体内的空泡数，Ⅳ设为１．５ Ｘ １０ｍ． ２）相变公式： 设Ｐ为环境压力；ｐ 为气化压力． 当Ｐ ＞ｐ时，空泡的生长速度为 ｄ＿＿Ｒ ； （１４） ｄ￡ ３ｐ ’ 当Ｐ ＜ｐ时，空泡的溃灭速度为 ｄＲ： ． （１５）ｄ ｔ ３ｐｇ ’ 气化压力Ｐ 设为２ ３６７ Ｐａ． 在完全空化模型中，湍流对空化有重要的影 响 Ｊ．对于湍流压力波动，提高相变起始压力从局 部压力Ｐ 到Ｐ ． Ｐ ＝（Ｐ ＋ｐ ／２）， （１６） 式中：ｐ 为湍流压力脉动， Ｐ ＝０．３９ｐｋ． （１７） １．４离散方法 数值方法使用Ｆｌｕｅｎｔ中的分离求解器进行计 算，采用ＳＩＭＰＬＥ算法实现压力场和速度场的耦合， Ｐｒｅｓｔｏ格式用于对压力方程的离散，其他采用二阶 迎风格式进行离散．非定常计算时间步长满足Ｃｏｕ． ｒａｎｔ—Ｆｒｉｅｄｒｉｃｈ—Ｌｅｖｙ稳定准则，文中时间步长Ａｔ＝ ２×１０～ｓ． １．５边界条件 入口边界取速度进口条件，其核心湍流强度采 用经验公式（１８）计算： ，＝０．１６ＲｅＤＨ一， （１８） 式中： 。 为相应水力直径条件下的雷诺数． 出口边界设为压力出口条件． 水翼固壁及两侧边壁采用无滑移边界条件，对 近壁网格点采用标准壁面函数处理． 空化数和雷诺数分别定义为 ： ， （１９）——一， ｌ ， １ ２ ５－ｐｌ ｅ： ， （２０） 式中：Ｐ 为模拟区域内未受绕流影响的远场压 力； 为来流速度；ｆ为水翼弦长；１－＇为水的运动 黏度． ２数值模拟结果 ２．１ 空穴形态随时间的变化情况 图３—５分别为来流攻角１０。，空化数ｒ，分别为 １．０，０．８和０．５时，绕水翼非定常空穴形态的数值 计算结果． 由图３可知，首先在水翼前缘处形成空穴；随着 时间的推移，空穴形态呈手指状，附着于水翼中前 段，空穴长度及厚度逐渐增大．设 为发展周期，则 当时间ｔ＝（６／１０）Ｔ时，空穴长度达到最大，随后空 穴出现回缩，但并未出现大空泡团的脱落现象，这与 文献［８］中的试验结果一致． ０．１０ ０．２０ ０．３０ ０．４０ ０．５０ ０．６０ ０．６５ ０．７０ ０．７５ ０．８０ ０．８５ ０．９０ ０．９５ ｇ ＝一 兰兰 兰 釜鎏 （ａ）（１／１０）Ｔ （ｂ）（２／ＩＯ）Ｔ （ｃ）（３／１０）Ｔ （ｄ）（４／１０）Ｔ （ｅ）（５／１０）Ｔ （Ｄ（６／１０）Ｔ （ｇ）（７／１０）Ｔ ０１）（８／１０）Ｔ （ｉ）（９／１０）Ｔ ａ）Ｔ 图３空化数为１．０时的气相云图（Ｔ＝１０。Ｓ） Ｆｉｇ．３ Ｃｌｏｕｄｙ ｃａｖｉｔｙ ａｔ ｃａｖｉｔａｔ
空气动力学中的非定常流动数值模拟研究
空气动力学中的非定常流动数值模拟研究
空气动力学是研究物体在空气中运动的力学学科，非定常流动数值模拟是其中非常重要的研究领域之一。在过去的几十年里，非定常流动数值模拟已经成为了空气动力学研究的重要手段之一，对于许多行业和领域都具有重要的应用价值。
一、 非定常流动数值模拟的意义和价值
非定常流动是指在空气动力学中存在着时间上不稳定、空间上不均匀的气流现象。这些气流现象通常包括了飞行器、汽车、船舶等物体运动中产生的涡旋、尾流等气流现象。非定常流动数值模拟是一种通过数值模拟方法来研究这些气流现象的研究手段。它可以帮助研究者了解非定常流动产生的机制和规律，进而对于减小气流阻力、提高效率、改进气动设计等方面具有重要的应用价值。
二、 数值模拟的方法和技术
在非定常流动数值模拟研究中，有许多数值模拟的方法和技术可供选择。一般而言，这些方法和技术可以分为三类：欧拉方法、拉格朗日方法和欧拉-拉格朗日混合方法。欧拉方法是以空气粒子在运动过程中所受到的作用力来计算空气流场的运动状态，它适用于基本上没有物体与空气之间的相互作用的流动。拉格朗日方法则是用来研究物体运动时所产生的流动现象，例如在飞行器飞行时产生的尾流。
欧拉-拉格朗日混合方法则是将欧拉方法和拉格朗日方法相结合，既可以对欧拉方法适用的流动进行数值模拟，又可以对拉格朗日方法适用的流动进行数值模拟。
在非定常流动数值模拟的研究中，还会用到诸如贪吃蛇法、分叉皮带法、埃拉纳法等一系列基于无网格的数值模拟方法和技术。这些方法和技术更具有灵活性和适用性，能够更加准确地描述非定常流动。
三、 数值模拟在气象、航空航天等领域的应用
非定常流动数值模拟在许多领域都具有广泛的应用，特别是在气象、航空航天等领域。在气象研究中，非定常流动数值模拟可以帮助研究者更好地预测气象条件，从而为天气预报提供更加准确的数据。在航空航天领域，非定常流动数值模拟不仅可以用来优化飞行器的设计，还可以帮助研究者了解飞机在高空飞行时遇到的各种气流现象，从而增强飞行安全。
汽轮机级内的非定常流动的数值模拟
汽轮机级内的非定常流动的数值模拟
1.介绍
由于前后的结构限制，单一涡轮叶栅的进口和出口处的流场参数（边界条件）很难定义下来。因此，可以选择把好几个级作为一个整体进行分析，此时界面流场的结果就很容易用数值进行模拟。当然，这个整体可以提供更多的信息，例如，叶片受力情况，寿命等等。从混合平面到完全的非定常作用，这些各不相同的耦合方法已经都被使用过。本篇文章主要研究定子和转子之间的非定常作用，对此，我们已经提出了两种有限分析处理方法。第一种分析方法假定一个相对简单的定子—转子匹配情况，在基于罗伊对Riemann解的非结构网络化的近似理论，实现了对现有的内部二维有限体积法的算法证明。第二种分析方法来源于对两相冷凝蒸汽流动的Lax-Wendroff二维有限体积分析法和Giles匹配算法的有机结合，这种方法已经成功的在高压涡轮叶栅的单相定子—转子间相互作用的计算中得到验证。
2.控制方程和问题提出
这两种流动模型通过偏微分的形式给出
W=--G+Q （1）
理想气体的二维流动可以用欧拉公式描述，可以进一步称为单相流动模型，也可以用这个公式表示
W=[, F=[,)
Q=[0,0,0,0 G=[ （2） 其中表示密度，是速度的矢量分量。P表示压力，e是每单位体积的能量。表示比热容。下面的模型描述的是蒸汽和冷凝水混合物的流动，也被称为两相流动模型。我们假设液滴被蒸汽带动着进行流动。这个控制方程包括对混合物的欧拉方程和液滴参数的传递方程。因此，表达式如下
（3）
此时，代表混合物的密度，代表蒸汽和液体平均速度的矢量分量。P表示平均压力，e是每单位体积的能量。代表湿度。方程组加上压力方程封闭（即有解），压力方程如下
（4）
L表示凝结潜热，比热容这里作为温度函数。Hill参数如下：
（5）
N表示每单位质量混合物中的液滴数，表示第i个液滴的半径，r表示平均半径。数量级作为计算时的单位，每单位体积每秒新凝结的液滴数J根据下面的公式计算 （6）
采用UDF方法对空泡绕流现象进行数值模拟
2005 Fluent 中国用户大会论文集
292
采用UDF方法对空泡绕流现象进行数值模拟
蔡卫军, 项庆睿, 杨飚, 马霞
（西安精密机械研究所, 陕西 西安, 710075）
摘 要：本文采用Fluent 6.1软件中的UDF方法（用户自定义函数），对不同空化模型所产生的空化流动现象进行了相应的
数值模拟，并对不同空化数条件下的空泡流场进行详细分析。计算结果表明，各类空化模型能够较好的模拟出空泡的起始、
形成过程，且与实验值相符合；在空泡闭合区域，由于回射流的脉动特性，各空化模型之间的计算结果有所差别，但与实验
数据的分布趋势基本一致。
关键词：空化模型 回射流 空化数 数值模拟
1 引 言
超空化减阻是空化利用的典型范例，其原理是利用水下航行体在较高速度时头部产生空泡，或采用人
工通气的方法形成包含整个航行体的超空泡。航行体仅在头部与水流相接触，不存在全沾湿航行时的摩擦
阻力；而且，无空泡时的尾流也将不复存在，从而使阻力系数远小于常规全沾湿航行状态。
由于空化现象在水下减阻领域的应用，近年来国内、外学者对空化/超空化流动现象进行了大量的实验
和数值模拟研究工作[2-11]。本文的主要研究内容为――采用商业软件Fluent 6.1中UDF[1]方法（即用户自定
义函数）方法，对几种常用空化模型所产生的空泡绕流现象进行比较分析，并对不同空化数条件下的空泡
形成过程进行研究。
2 数学模型
2.1 控制方程
本文对空化过程的模拟采用Fluent6.1中的多相流混合模型（Multiphase Mixture Model）[1]――即通过
引入适当的空化模型，模拟出液体的蒸发和水蒸汽的凝结过程，在汽、液相混合区域内采用单流体混合物模型，即假定流体微团是液体、蒸汽以及非凝结性气体的混合物。
忽略汽、液界面之间的滑移现象，并假设空化流动为等温过程，则控制方程可写成：
l
jjmlmlS
xuy
ty
=
∂∂
+
∂∂ρρ
（1）
轴流泵定常、非定常数值模拟
轴流泵定常、非定常数值模拟
1 网格划分
1.1. 叶轮
[1] 在NX中，【文件(F)】→【导出(E)】→STEP203，将水体转成.stp格式。
[2] 打开ICEM CFD，【File】→【Change working directory】，选择工作目录。
[3] 【File】→【Import Geometry】→【STEP/IGES】，导入几何体，【Apply】如图4-6-1。
图4-6-1 导入几何 图4-6-2 划分part
[4] 【Geometry】→【Repair Geometry】，，【Apply】。若均为红线则实体拓扑结构完整。
[5] 为了便于后面的网格划分和后续的CFD设置，将叶轮水体的不同部位设为不同的“part”，如图4-6-2。
[6] 【Creat Body】，点击“2 screen location”后的鼠标箭头，在体上选择两点，要求这两点的连线都在体内，如图4-6-3。
·ii·
图4-6-3 生成BODY
[7] 【Mesh】→【Global Mesh Setup】进行全局网格设置，“Scale factor”：1.0，“Max
element”:10.0，【Apply】。
a 单击 点1
点2 b
图4-6-4 全局网格设置
[8] 【Mesh】→【Part Mesh Setup】，进行局部网格加密。如图5，设置max size，CKB（出口边）：0.5，JKB（进口边）：0.5，KT（壳体）：4， LG（轮毂）：4， YLCK（叶轮出口截面）：4，
YLJK（叶轮出口截面）：4， YP（叶片）：2。
图4-6-5 局部网格加密
[9] 【Mesh】→【Compute Mesh】，【Volume Mesh】，“Mesh Type”：Tetra/Mixed，”Mesh
Method”：Robust(Octree)，如图4-6-6a，【Compute】。生成网格数：134万，如图4-6-6b。
混流式水轮机全流道三维非定常流场数值模拟
混流式水轮机全流道三维非定常流场数值模拟
黄剑峰;张立翔;王文全;姚激
【期刊名称】《水电能源科学》
【年(卷),期】2009(27)1
【摘 要】基于三维时均N—S方程和RNGk—ε双方程湍流模型,采用滑移网格模型进行了混流式水轮机全流道动静干扰的三维非定常湍流计算,捕捉了水轮机各过流部件内复杂湍流场分布和尾水管内涡旋结构等流动信息随时间的变化情况。计算结果表明,水轮机中的水流处于复杂的湍流运动状态,随时间推移变化剧烈,计算结果更接近实际流场分布。
【总页数】4页(P155-157)
【关键词】混流式水轮机;全流道;三维非定常流场计算
【作 者】黄剑峰;张立翔;王文全;姚激
【作者单位】昆明理工大学工程力学系,云南昆明650051;云南农业大学水利水电与建筑学院,云南昆明650201
【正文语种】中 文
【中图分类】TK733.1
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基于CFD技术的螺旋桨非定常流场数值模拟
基于CFD技术的螺旋桨非定常流场数值模拟
高飞飞
【摘 要】针对单独螺旋桨模型,基于动态结构网格搭接技术,采用CFD方法对其非定常流场进行了数值模拟.首先针对全部外形生成多块点搭接和面搭接两套计算网格,通过分析两套网格的计算结果,验证动态网格搭接技术的可行性和正确性,得出螺旋桨性能参数随转速的变化规律.在此基础上分析了雷诺平均NS(RANS)方程和Euler方程的数值模拟结果.最后研究了攻角对单独螺旋桨性能参数的影响.研究结果表明:动态网格搭接技术能够很好地模拟非定常螺旋桨的性能参数.螺旋桨的拉力系数和功率系数都随着转速的增加而增大.对螺旋桨非定常流场进行数值模拟时,采用Euler方程就能够满足工程精度的需求.攻角0度时单片桨叶的拉力系数和转矩系数都是恒值,而在攻角10度时却都呈现出周期性的正弦曲线.%CFD technology
was applied to do the numerical simulation of unsteady flow around the
single propeller model, which was based on the structured dynamic grids.
To start with, two sets of calculation grids consisting of multi-block point-to-point and face-to-face patched grid were created in terms of the whole
shape. Then through the contrastive analysis of the computational results,
the feasibility and accuracy of dynamic patched grids were verified. At the
轴流泵装置三维非定常湍流流场的数值模拟
一排灌机械工程学报
骥嗣豳臻黼Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｄｒａｉｎａｇｅ ａｎｄ Ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｉ ｌ ｌ
轴流泵装置三维非定常湍流流场的数值模拟
冯卫民，宋 立，左 磊，袁 波
（武汉大学水力祝艘过渡过程教育酃熏点支骏窄，湖此 汉４３００７２）
摘要：为了分析轴流泵内部流场的瞬时特性，结合非定常不可压牛顿流体的控制方程和ＲＮＧ
一 双方程湍流模型，考虑各过流部件之间的相互干涉作用，在Ｆｌｕｅｎｔ软件中应用ＳＩＭＰＬＥＣ算 法和滑移网格技术，在一个完整的转动周期中对４０００ＺＬＱ５３．５—６．６ＪＳ型立式轴流泵全流道内
的三维湍流流场进行了数值模拟．给出了在叶片角为０。，设计流量工况为５３．５ ｍ ／ｓ时叶轮进出
口干涉面的压力、速度与涡量云图，直观地显示了一个转动周期内叶轮干涉面的干涉情况．对干 涉面物理量云图进行对比分析，得出了轴流泵内部流场瞬时特性的数值模拟计算结果．引入动态 特性预测方法，对瞬时计算结果时均化，将动态特性预测结果与泵站的现场测试数据进行对比，
证明了该数值模拟方法的可行性．这表明，计算所采用的轴流泵装置非定常三维湍流流场的数值 模拟方法，是人们认识轴流泵流场流动与干涉机理的有效理论手段．
关键词：轴流泵；湍流流场；数值模拟；动态特性预测；非定常 中图分类号：￥２７７．９；０３５７．５ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７４—８５３０（２０１０）０６—０５３１—０６
３ Ｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｎ ｕｎｓｔｅａｄｙ ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ｆｌｏｗ
ｉｎ ａｘｉａｌ ｆｌｏｗ ｐｕｍｐ ｓｙｓｔｅｍ
Ｆｅｎｇ Ｗｅｉｍｉｎ，Ｓｏｎｇ Ｌｉ，Ｚｕｏ Ｌｅｉ，Ｙｕａｎ Ｂｏ （Ｋｅｙ［，ａｈｏｒａｔ（）ｒｙ ｏｔ Ｈｙｄｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔｓ ｏｆ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
绕不同扭曲水翼的空穴发展及其水动力特性的数值研究
绕不同扭曲水翼的空穴发展及其水动力特性的数值研究
杨龙;胡常莉;曹友铨
【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2018(018)027
【摘 要】针对水力机械叶片表面的空化问题,开展了绕不同扭曲水翼的空化流动特性的数值研究.采用均质流模型并耦合大涡模拟方法(LES)和Zwart空化模型,计算了绕NACA0009和Clark-Y两种扭曲水翼在不同空化数下的空化流动.结果表明:绕不同翼型的空穴发展随着空化数变化呈现明显不同的特性.相比于NACA0009翼型,绕Clark-Y翼型的空穴尺度随着空化数的减小而增大的幅度更明显,对空化数更为敏感.绕NACA0009翼型的空穴可以将翼型导边完全覆盖,而Clark-Y翼型导边的两侧并没有被空穴覆盖.另外,绕NACA0009翼型的空穴更容易出现准周期性变化和形成U形涡结构的脱落空泡团.不同翼型的升力系数的变化规律也显著不同,Clark-Y翼型的时均升力系数均显著大干NACA0009翼型.随着空化数的减小,相比于Clark-Y翼型,NACA0009翼型的升力系数更容易出现准周期性变化.
【总页数】8页(P233-240)
【作 者】杨龙;胡常莉;曹友铨
【作者单位】南京理工大学能源与动力工程学院,南京210094;南京理工大学能源与动力工程学院,南京210094;南京理工大学能源与动力工程学院,南京210094
【正文语种】中 文
【中图分类】TV131.32 【相关文献】
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机翼三维绕流的非定常模拟研究的开题报告
机翼三维绕流的非定常模拟研究的开题报告
一、研究背景及意义
随着现代工业和科技的不断发展，飞机已经成为现代人们生活中不可或缺的交通工具之一，而机翼作为飞机不可或缺的组成部分，其设计和性能一直是飞行器设计中的重要研究内容。在过去的几十年里，科学家们通过运用定常流场理论、实验室实验以及实际测试等手段对机翼气动力学性能进行了广泛的探究。但是由于真实飞行中机翼所受到的气动环境受到非常多的因素的影响，比如气流湍流度、机翼自身的运动状态，这就导致了机翼气动力学行为难以用定常理论进行描述。
因此，研究机翼在非定常气流中的绕流行为，已经成为飞行器设计领域中备受关注的领域。通过对机翼在非定常气流中的绕流行为进行研究，可以更好地理解机翼的气动力学行为，并且进一步提高飞行器的性能、安全性以及稳定性。
二、研究内容
本研究将利用计算流体动力学（CFD）方法，针对机翼三维绕流进行非定常数值模拟研究。主要研究内容包括以下几个方面：
1. 采用非定常雷诺平均 Navier-Stokes（RANS）方程，对机翼三维绕流进行数值模拟研究。
2. 研究非定常气流环境对机翼气动力学性能的影响。
3. 研究机翼不同运动状态下的气动力学性能变化，包括升力、阻力和力矩等方面。
4. 分析定常和非定常机翼绕流的差异，寻找机翼非定常绕流行为的规律。
三、研究方法 1. 编写求解RANS方程的CFD程序，对机翼三维绕流进行数值模拟研究。
2. 使用动网格技术（AMR）对网格进行适应性划分，提高计算效率。
3. 采用非定常边界条件，模拟真实飞行中机翼所受到的非定常气流环境。
4. 对机翼不同运动状态下的绕流场进行分析，比较定常和非定常情况下的气动力学性能差异。
5. 使用流变模拟软件对数据进行后处理，可视化气动力学表现，进一步分析机翼绕流行为的规律。
四、预期成果
本研究预计可以得到以下几个方面的成果：
1. 揭示机翼在非定常气流中的绕流行为，分析非定常气流环境对机翼气动力学性能的影响。
基于FLUENT软件的水力空化数值模拟
基于FLUENT软件的水力空化数值模拟
引言：
水力空化是液体流体在高速条件下产生气体泡泡或蒸汽泡的现象。这种现象会对流体的传输和传热过程产生重要影响，因此对水力空化进行研究具有重要意义。随着计算机技术的不断发展，数值模拟成为研究水力空化的重要手段之一。
本文将基于FLUENT软件进行水力空化的数值模拟，并对其原理、方法以及应用进行详细分析和阐述。
一、水力空化的原理
水力空化过程是液体在流动过程中由于压力低于液体饱和压力而形成气泡和蒸汽泡的现象。这种现象常见于工业中的管道、泵和蒸发器等设备中。水力空化现象的发生与流体的流速、温度、压力、管道内部粗糙度等因素密切相关。
二、数值模拟方法
数值模拟是通过对运动过程的数学模型进行计算，并通过计算机程序将其离散化，求解出流体在时间和空间上的变化过程。在本文中，我们将使用FLUENT软件进行水力空化的数值模拟。
FLUENT软件是一款用于求解流体流动和传热问题的计算流体力学（CFD）软件。它采用有限体积法对流体流动进行离散化，通过对流动方程进行求解，得到流场、压力场以及其他相关参数。
数值模拟的基本步骤包括网格划分、边界条件设定、物理模型设定和求解器设置等。
1. 网格划分：网格划分是数值模拟中最关键的步骤之一，合适的网格划分能够准确描述流体场的变化，但也会导致计算量的增加。对于水力空化问题，应根据需要精细划分焦点区域，以便更好地捕捉空化现象。
2. 边界条件设定：在模拟中，边界条件的设定将直接影响到模拟结果的准确性。对于水力空化问题，通常需要设定流体的入口速度、压力等参数，并且需要模拟出口出口的流速、压力等。
3. 物理模型设定：在水力空化模拟中，需要选择合适的物理模型。根据实际情况，可以选择多相流模型或者二相流模型来模拟流场。对于气泡的生成与消失，还需要考虑蒸发和凝结等过程。