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NACA0012二维翼型空化流动控制研究.docx
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NACA0012二维翼型空化流动控制研究.docx
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摘要
为了研究缝隙引射流技术对翼型空化的影响,建立了 NACA0012 二维翼型求解模型,基于 Singhal、
SS(Schnerr-Sauer)、ZGB(Zwart-Gerber-Belamri) 3 种不同空化模型进行数值仿真,对其头
部靠近前缘的位置设置了宽度为 10 mm、与来流方向呈锐角的缝隙。结果表明,Singhal 与 SS
空化模型求解精度相对较差,SS 空化模型预测的空化最为严重,与实际不符;在小空化数流动中,
翼型头部开缝有助于抑制空化的发生,引入高压流体到吸力面可以改善空化流动,流线紧贴翼型表
面,未发生流动分离;在大空化流动中,开缝的翼型空化流动复杂,高压流体无法对空泡进行有效
约束。该方法对控制翼型空化发展有较显著的作用,抑制了 NACA0012 二维翼型尾缘位置处的反
向漩涡。
Abstract
In order to study the effect of slot jet technology on airfoil cavitation, a two-
dimensional NACA0012 airfoil solution model was established. Based on three
different cavitation models, Singhal, SS (Schnerr-Sauer) and ZGB (Zwart-Gerber-
Belamri), a slot with a width of 10 mm and an acute angle with the incoming flow
direction was set at the position near the leading edge. The results show that the
accuracies of Singhal and ZGB cavitation models are relatively poor, and the
cavitation predicted by the ZGB cavitation model is the most serious, which is
inconsistent with the actual situation. In the small cavitation number flow, the
slotting at the airfoil head is helpful to restrain the cavitation. By introducing high
pressure fluid to the suction surface, the cavitation flow can be improved. The
streamline is close to the surface of the airfoil without flow separation. In the large
cavitation number flow, the cavitation flow of slotted airfoil is complex, and the high
pressure fluid cannot effectively restrain the cavitation. This method has a
significant effect on controlling the development of airfoil cavitation and suppressing
the reverse vortex at the trailing edge of NACA0012 two-dimensional airfoil.
译
关键词
翼型; 空化模型; 吸力面; 压力面
Keywords
airfoil; cavitation model; suction surface; pressure surface
译
空化是一种复杂、充分发展的湍流,其物理形态可分为泡状空化、片空化、云空化、涡空化等
[ 1]
。
空化是水力机械特有的流动现象,其剧烈程度直接影响着水力机械性能,且空化发生时产生的影响
基本上都是负面的、不可逆的
[ 2]
。流体机械中包含各种复杂的空化形态,如轴流叶轮、离心叶轮
的空化具有较强的非定 常特性 ,伴随 着空泡的发展和溃 灭过程 ;水翼 发生空化时伴随着压力脉 动、
噪声、振动等,这些物理现象在离心泵运行过程中依然存在。因此,深入研究翼型空化控制可以给
离心泵空化研究提供一些可行的方案。空化控制分为主动控制和被动控制,二维空化模拟发现片空
化失稳、云空化发生的主因是翼型表面发生回射流,三维云结构的脱落是由侧向射流与正向回射流
引起的
[ 3]
。
为了验证回射流机理并抑制空化,Kawanami 等
[ 4]
在翼型表面布置障碍物,采用高速摄影技术进
行测量和观察,证明控制回射流可以很好地控制空化的形成与发展。Pham 等
[ 5]
、Fuster 等
[ 6]
采
用障碍物法研究二维翼型的云空化控制机理,在距翼型前缘 0.233 倍弦长处放置高 2 mm、宽 4
mm 的障碍物,回射流被阻挡住,压力脉动幅值明显降低。邬伟等
[ 7]
对二维翼型的吸力面外形进
行适当改造,在翼型吸力面上设置微小方形凸起,验证了阻流体对云状空化的抑制作用。戴月进等
[ 8]
采用粗糙带抑制翼型表面空化,对不同粗糙带条件下翼型的水动力学特性和周围流场进行了数
值模拟研究,结果表明,随着粗糙带宽度和高度的增大,绕翼型的压强升高,延缓了初生空化的发
生。赵伟国
[ 9]
基于压力的空化流算法,分析了 NACA0015 翼型空化流动,得到了新型空化流算法
的可行性,并釆用障碍物布置方式 对 NACA0015 翼型云空化流 动进行控制,在翼型弦长 37%的
位置全展向布置障碍物,阻止了回射流的发展。
国内外采用缝隙射流技术控制翼型空化的研究暂无相关报道。本文在前人研究的基础上,采用头部
开缝引射流技术,对 NACA0012 二维翼型空化流动进行研究。
1 控制方程
翼型表面的空化流动为两相流,采用均相流动方法建立两相流模型。
1) 两相流连续性方程为
∂∂t(ρm)+∇⋅(ρmVm)=0∂∂tρm+∇·ρmVm=0
(1)
ρm=ρvαv+ρl(1−αv)ρm=ρvαv+ρl1-αv
(2)
式中:ρm 为两相密度;t 为时间;Vm 为两相速度;αv 为空泡体积分数;ρv 为空泡相密度;ρl 为
液相密度。
2) 两相流动量方程为
∂∂t(ρmVm)+∇⋅(ρmVmVm)=F−∇P+ ∇⋅[μeff(∇Vm+VmT)] ∂∂t
ρmVm+∇·ρmVmVm=F-∇P+ ∇·μeff∇Vm+VmT
(3)
式中: F 为体积力;P 为压力;μeff 为动力黏度。
对于空化两相,空泡相输运方程为
∂∂t(ρmf)+∇⋅(ρmf Vm)=Re−Rc∂∂tρmf+∇·ρmf Vm=Re-Rc
(4)
式中:f 为空泡质量分数;Re 为空泡蒸发率;Rc 为空泡凝结率。
3) 两相流能量方程为
∂∂t(ρmhm)+∇⋅(ρmVmhm)=∇⋅(keff∇T)+SE∂∂tρmhm+∇·ρmVmhm=∇·keff∇T+SE
(5)
式中:hm 为混合相焓值;keff 为热转化率;T 为温度;SE 为热源项
2 空化模型
空化模型是为了求解不同相间的物理量变化给出的计算模型,本质上是一种多相流模型。按照多相
流各相属性的不同,可以将多相流分为连续相⁃连续相、连续相⁃离散相。空化模型最为常用,其中
比较有代表性的有 Singhal 模型
[ 10]
、SS(Schnerr-Sauer)模型
[ 11]
及 ZGB(Zwart-Gerber-
Belamri)模型
[ 12]
。
2.1 Singhal 模型
Singhal 模型考虑了空化泡形成和输运、湍流脉动、不可压缩气体的影响等相变过程的诸多影响因
素。
当 P<P
V
时:
Re=CeVchσρlρv[23PV−Pρl]1/2(1−αl−αg)Re=CeVchσρlρv23PV-Pρl1/21-αl-αg
(6)
当 P>P
V
时:
Rc=CcVchσρlρv[23PV−Pρl]1/2αlRc=CcVchσρlρv23PV-Pρl1/2αl
(7)
式中:PV 为饱和蒸气压力;Ce 为凝结系数;Cc 为蒸发系数;σ 为空泡系数;Vch 为体积系数;αl
为液相体积分数;αg 为气相体积分数。
2.2 SS 模型
SS 模型是一种较为理想化的空化模型,其变源项由理论推导得出,即相系数。
当 P<P
V
时:
Re=3ρlρvρmαv(1−αg)RB[23PV−Pρl]1/2Re=3ρlρvρmαv1-αgRB23PV-Pρl1/2
(8)
当 P>P
V
时:
Rc=3ρlρvρmαv(1−αv)RB[23PV−Pρl]1/2Rc=3ρlρvρmαv1-αvRB23PV-Pρl1/2
(9)
RB=3αv(4πn0(1−αv))1/3RB=3αv4πn01-αv1/3
(10)
式中:RB 为空泡半径;n0 为单位体积的空泡数。
2.3 ZGB 模型
当 P<P
V
时:
Re=Fvap3αruc(1−αv)ρvRB[23PV−Pρl]1/2Re=Fvap3αruc1-αvρvRB23PV-Pρl1/2
(11)
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