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空化水动力学非定常特性研究进展及展望

已有 2433 次阅读 2018-6-9 14:11 |系统分类:论文交流| 空化, 水动力学, 空泡流, 武汉大学

《力学进展》发表一篇我们课题组52页 长篇综述论文。目前文章已在线:

http://lxjz.cstam.org.cn/CN/volumn/home.shtml

季斌,程怀玉,黄彪,罗先武,彭晓星,龙新平. 空化水动力学非定常特性研究进展及展望. 力学进展, 2019, 49: 201906。

空化水动力学非定常特性研究进展及展望 最终稿.pdf


    空化作为一种重要的复杂水动力学现象,具有明显的三维流动特征与剧烈的非定常特性,在水力机械、船舶推进器、水利工程中广泛存在,且通常会带来不利的影响,长期以来一直是水动力学领域研究的重点与难点课题之一。本文首先从实验测量和数值模拟两个角度,综述了空化水动力学非定常特性研究的发展概况,分析了当前存在的问题。在空化实验研究中,主要介绍了空化水洞、空化流场测量以及多物理场同步测量等方面所取得的进展。在数值模拟方法中,对目前的空化模型和湍流模型进行了分类介绍,并重点讨论了大涡模拟、验证和确认等在空化流模拟中的应用。之后以附着型空化为主,同时兼顾云状空泡、空蚀、涡空化等,梳理了其研究中存在的几个关键科学问题,包括空化演变、空化流动的三维结构、失稳机制、空化不稳定性及其与低频压力脉动的联系、空化与旋涡的相互作用、空化与弹性水翼的流固耦合、空化对尾流场影响等。最后展望了空化水动力学的研究方向和未来发展趋势。

......

总结与展望

本文以附着型空化为主,同时兼顾云状空泡、空蚀、涡空化等为对象,较为系统地回顾了近年来空化水动力学非定常特性研究方面的进展及尚存在的问题。主要结论如下:

(1) 由于当前对于空化的认识尚不全面,空化的分类也比较混乱。附着型空化绕流具有明显的准周期性,会经历空化初生、发展、脱落、溃灭等阶段。附着型空化在工程应用中最为常见,其流动机理尚存在诸多问题,因而在今后的空化研究中应当继续引起重视;

(2) 实验技术的发展,包括空化实验平台及各类空化流场测量技术等,大大促进了人们对空化流动机理的认识。可以控制水质的水洞在空化,尤其是初生空化的研究中将发挥重要的作用。SHPB发射系统是一种较为理想的水下高速航行体空化绕流的实验平台。如何在测量空泡区压力脉动的同时尽可能保护压力传感器不被损坏依然是空化实验中一个急需解决的问题;PIV/PLIF同时获得空化区域内外的流场信息,在今后的实验研究方面应当得到重视与发展;此外,蒸汽分布的测定对分析空化内部结构具有重要意义,以X射线密度测量系统为代表的蒸汽分布测量方法将极大便利对空化内部流动结构的辨识与分析;

(3) 数值模型,包括空化模型和湍流模型的发展,对空化流动的数值研究具有重要的作用。目前而言,对于传统的基于质量输运方程的空化模型而言,如何选取合适的源项是决定该模型模拟精度的关键。如何在空化模型中考虑空化行为的多尺度性、群泡效应、可压缩性,应当是今后空化模型的重要方向。湍流模型方面,对于工程问题,寻求一个既对计算资源消耗较小、又能满足空化流动计算精度要求的湍流模式依然是今后的重点,分域与桥接两种模式为适用于工程应用的湍流模型发展提供了大致的方向;对于空化机理研究,随着计算机性能的不断提高,LES的优势逐渐得到突显,但网格对计算结果的影响(如求解尺度是否达到了惯性子区、网格的验证和确认等)还需仔细校验。基于密度基的求解器在高速空气动力学中已发展较为成熟,特别是高速空气动力学中激波的捕捉方法,可为水动力学空化提供很多借鉴,为此今后开发基于密度基的空化流动求解器也是一个发展方向;

(4) 附着型空化流动的机理研究取得了较大的进展。附着型空化流动行为的定性描述已经较为完善,典型三维流动结构如U形涡等的产生与发展机理也取得了较大的进步,这促进了人们对于空化流动演化的认识。此外,空化流动的不稳定性与低频压力脉动方面的进展对于工程实践也有着重要的指导意义;

(5) 附着型空化的脱落机制也取得了重大进展,即反向射流和激波效应。反向射流的作用很早就在实验和数值模拟中被观察到,对其流动行为的分析也比较全面。但是激波现象直到最近才在实验中得到证实,对其认识尚缺乏足够的实验数据与分析。现有的研究表明,激波效应在空化数较低的流动中影响较大。这意味着对于低空化数流动的数值模拟准确性应当提高警惕,也对数值模拟提出了新的要求,即如何在空化流动模拟中捕捉激波现象;

(6) 空化与漩涡的相互影响机理仍不明确。空化与旋涡的相互作用,应当成为今后空化分析中需要关注的重点;弹性水翼在水力机械中的应用或许是解决水力机械、船舶推进器等目前发展困境的一个方向,但是绕弹性水翼空化流动的行为也更加复杂,其中的流固耦合问题会对空化云及水翼自身产生较大的影响,在今后的研究中将会是一个热点与难点问题。附着型空化也会对尾流场产生较大的影响,当予以足够的重视;

(7) 其它空化相关方面的研究也取得了很多成果。云空化的内部结构及其与空蚀之间的联系依然是一个尚未解决的难题;梢涡空化及间隙空化因其极强的工程应用背景与复杂的流动机理,在后续的研究中将会受到大量的关注。




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