第４０卷 第２期
２０１２年 ２月
华 中 科 技 大 学 学 报 （自 然 科 学 版）
Ｊ ．Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ｕｎｉｖ ．ｏｆ Ｓｃｉ ．＆ Ｔｅｃｈ ．（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ）
Ｖｏｌ ．４０ Ｎｏ ．２
Ｆｅｂ ． ２０１２
收稿日期 ２０１０‐１１‐０２ ．
作者简介 杨琼方（１９８４‐） ，男 ，博士 ，Ｅ‐ｍａｉｌ ：
ｙｑ
ｆｈａｉｊｕｎ２００８＠ １２６ ．ｃｏｍ ．
基金项目 国家自然科学基金资助项目 （５１００９１４４） ．
螺 旋 桨 空 化 崩 溃 性 能 图 谱 的 多 相 流 模 拟
杨琼方
ａ
王永生
ａ
张志宏
ｂ
（海军工程大学 ａ 船舶与动力学院 ；ｂ 理学院 ，湖北 武汉 ４３００３３）
摘要 为了提高螺旋桨空化性能多相流模拟的精度 ，采用改进数值模型对 ＮＳＲＤＣ４３８１ 螺旋桨的片空化形态
和空化崩溃性能图谱进行了模拟与校验 ．数值模型由混合密度中显示包含非凝结性气核（ＮＣＧ）质量分数和
体积分数的混合物多相流模型 ，考虑湍流脉动影响的相变临界压力 、ＮＣＧ 质量分数取 ７ ．８ × １０
－ ４
、ＮＣＧ 体积
分数取 １ ．０ × １０
－ ６
、气泡平均初始半径取 １ ．５
μ
ｍ 的改进 Ｓａｕｅｒ 空化模型 ，以及剪切应力输运 （ＳＳＴ ）湍流模型
组成 ．结果表明 ：预报空化崩溃性能图谱与实验值符合很好 ；非设计进速系数下模拟空化形态与采用 Ｓａｕｅｒ 空
化模型的结果一致 ，较实验值略偏小 ；中度和重度空化下 ，推力和力矩系数的预报精度明显高于采用 Ｋｕｎｚ 空
化模型的结果 ，严重空化时精度提升约 １６％ ；即使在高负载且严重空化的非设计工况下 ，预报推力和力矩系
数误差分别为 ４ ．９５％ 和 ２ ．２８％ ，也在工程可控范围内 ，证明了所采用数值模型的有效性 ．该模型可进一步用
于螺旋桨空化初生的数值判定 ．
关键词 螺旋桨 ；空化模型 ；湍流模型 ；多相流模拟 ；空化崩溃性能
中图分类号 Ｕ６６４ ．３４ 文献标志码 Ａ 文章编号 １６７１‐４５１２（２０１２）０２‐００１８‐０５
Ｍｕｌｔｉｐｈａｓｅ ｆｌｏｗ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ
ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｍａｐｓ
Ｙ ａｎ
ｇ
Ｑｉｏｎ
ｇ ｆ
ａｎｇ
ａ
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ｇ
Ｙｏｎ
ｇ
ｓｈｅｎｇ
ａ
Ｚｈａｎ
ｇ
Ｚｈｉｈｏｎ
ｇ
ｂ
（ａ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｎａｖａｌ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｍａｒｉｎｅ Ｐｏｗｅｒ ；
ｂ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ，Ｎａｖａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ，Ｗｕｈａｎ ４３００３３ ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉｐｈａｓｅ ｖｉｓｃｏｕｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ ｃａｖｉｔａｔｉｎｇ ｐｅｒ‐
ｆｏｒｍａｎｃｅｓ ，ＮＳＲＤＣ４３８１
ｐ
ｒｏｐｅｌｌｅｒ′ｓ ｓｈｅｅｔ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｐａｔｔｅｒｎ ａｎｄ ｃａｖｉｔａｔｉｎｇ ｂｒｅａｋｄｏｗ ｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
ｍａｐｓ ｗｅｒｅ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ，ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｍｉｘｔｕｒｅ ｍｕｌｔｉｐｈａｓｅ ｍｏｄｅｌ ｗｈｉｃｈ ｃｏｎｔａｉｎｅｄ ｂｏｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｎｏｎ‐ｃｏｎｄｅｎｓａ‐
ｂｌｅ ｇａｓ （ＮＣＧ） ｍａｓｓ ａｎｄ ｖｏｌｕｍｅ ｆｒａｃｔｉｏｎｓ ｅｆｆｅｃｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｍｉｘｔｕｒｅ ｄｅｎｓｉｔｙ ，ｔｈｅ ｐｈａｓｅ‐ｃｈａｎｇｉｎｇ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ
ｐ
ｒｅｓｓｕｒｅ ａｃｃｏｕｎｔｉｎｇ ｆｏｒ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ，ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｓａｕｅｒ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｗｈｉｃｈ ｇｏｔ ｔｈｅ
ＮＣＧ ｍａｓｓ ａｎｄ ｖｏｌｕｍｅ ｆｒａｃｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ７ ．８ × １０
－ ４
ａｎｄ １ ．０ × １０
－ ６
ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｂｕｂｂｌｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｒａｄｉ‐
ｕｓ ｗａｓ １ ．５
μ
ｍ ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｓｓ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ｍｏｄｅｌ ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｐｒｅ‐
ｄｉｃｔｅｄ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｂｒｅａｋｄｏｗ ｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｍａｐｓ ａｒｅ ｆｉｔ ｖｅｒｙ ｗｅｌｌ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｄａｔａ ．Ｕｎｄｅｒ ｕｎ‐
ｄｅｓｉｇｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ，ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｃａｖｉｔｙ ｐａｔｔｅｒｎ ｉｓ ｕｎｄｅｒ‐ｅｓｔｉｍａｔｅ ｂｕｔ ｓｉｍｉｌａｒ ｔｏ ｔｈａｔ ｉｎ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｕｓｉｎｇ
Ｓａｕｅｒ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ．Ｕｎｄｅｒ ｍｏｄｅｒａｔｅｄ ａｎｄ ｓｅｖｅｒｅ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ，ｔｈｒｕｓｔ ａｎｄ ｔｏｒｑｕｅ ｃｏｅｆｆｉ‐
ｃｉｅｎｔ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ａｒｅ ｏｂｖｉｏｕｓ ｂｅｔｔｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｕｓｉｎｇ Ｋｕｎｚ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｕｐ ｔｏ
１６％ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｅｖｅｒｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ．Ｅｖｅｎ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｈｉｇｈｌｙ‐ｌｏａｄｅｄ ａｎｄ ｓｅｖｅｒｅ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ，
ｐ
ｒｅｄｉｃｔｉｏｎ
ｅｒｒｏｒｓ ｏｆ ｔｈｒｕｓｔ ａｎｄ ｔｏｒｑｕｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ ａｒｅ ４ ．９５％ ａｎｄ ２ ．２８％ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ ，ｗｈｉｃｈ ｇｉｖｅｓ ａ ｑｕａｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ
ｏｆ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｍｏｄｅｌｓ ａｎｄ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｐｒｅｄｉｃｔ ｔｈｅ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｉｎｃｅｐｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｎｅｘｔ ｓｔｅｐ ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ
ｐ
ｒｏｐｅｌｌｅｒ ；ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ； ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ｍｏｄｅｌ ； ｍｕｌｔｉｐｈａｓｅ ｆｌｏｗ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ； ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ
ｂｒｅａｋｄｏｗ ｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
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