空化湍流结构的时空多尺度演化及流动机理研究

As one of the important issues in hydrodynamics study, cavitation is also one of the key technique problem in the development of underwater weapon system. To solve the engineering problem which is related to the cavitation phenomenon, much effort is needed to reveal the unsteady cavitating turbulent flow mechanisms. Based on the experimental facilities and computing devices, as well as the current research achievement, the physical and numerical investigation of the space-time evolution of multi-scale cavitating flow structures and mechanisms has been proposed. The refined measurement technique for the unsteady cavitating flow structures and hydrodynamic forces will be investigated, the cavitation model considering the effect of the turbulent fluctuation on the mass transfer process and the turbulence model with the effect of the mass transfer process considered will be developed. Combined the experimental and numerical methods, the effect of the flow parameters on the space-time evolution of multi-scale cavitating flow structures, and the action of the cavity inception, development and collapse on the turbulent structures, will be investigated, to reveal the mechanisms of interaction between the transient mass transfer process, the collapse of the cloud cavity and local turbulent flow field, as well as the multi-scale cavitating flow mechanisms.

空化是高速水动力学的核心关键科学问题，也是水中兵器系统等海战装备水动力创新发展的核心关键技术问题。揭示空化湍流非定常流动机制，是空化研究最重要的科学问题，也是解决一系列与空化流动现象有关工程难题的本源问题。申请者基于已有的研究基础和具备的实验与计算条件，提出空化湍流结构的时空多尺度演化及流动机理研究。研究非定常空化湍流结构及流体动力的精细测量技术；发展考虑湍流脉动对质量传输影响的空化模型和考虑空化质量传输过程的湍流模型；研究流动参数对空化湍流结构时空演变规律的影响，以及非定常空化初生、发展和溃灭等多尺度流动对湍流结构的作用机理；揭示在不同非定常机制下，空化瞬态质量传输过程和空泡团的溃灭压力波与当地湍流场的相互作用机制，以及空化湍流结构的时空多尺度演化及流动机理。

本项目采用实验与数值模拟相结合的方法，针对空化湍流结构的时空多尺度演化及流动机理开展了系统研究。主要研究工作及创新性成果如下：.建立了空化湍流流动结构及流体动力精细测量方法。针对非定常空化流动特点，综合高速录像、粒子测速系统、流体动力测量系统，实现了空化多物理场的综合测量。为解决流场内部粒子的散射和均布等问题，发明了一种超空泡内部流场测量的示踪粒子播撒装置；通过分析空泡的相关性和响应时间，论证了离散空泡作为示踪粒子测量水气混合状态下空泡内部流场的可行性；为解决壁面反光和空泡团过度曝光问题，发展了模型表面荧光镀膜和干扰光斑识别与处理方法，实现了不同空泡流态，内部流场结构的精细测量。.建立了考虑空化物理机制的空化湍流流动数值计算方法。考虑空化流动的湍流多尺度及多相局部可压缩特性，顾及不同的流动区域湍流特性，提出了一种基于混合密度分域的混合湍流模型。此外，研究中以OpenFOAM软件中两相可压缩求解器为基础，通过在该求解器的控制方程中(相方程和压力方程)耦合模拟汽液相间质量交换过程的空化源项，实现对空化可压缩非定常流动的数值计算。.建立了基于拉格朗日-欧拉耦合观点的空化湍流结构表征方法。为了更好地预测和分析非定常流场结构的动态演变规律，引入一种有限时间Lyapunov指数（FTLE，Finite-Time Lyapunov Exponents）流场分析技术，利用拉格朗日拟序结构（LCS，Lagrangian Coherent Structures）分析方法对流场结构及流动特性进行了研究。.揭示了空化非定常流动机制与湍流结构演化作用机理。在不同云状空化流动机制下，压力脉动、升力系数以及结构弯曲和扭转的主频主要受空泡脱落频率的影响，空泡溃灭行为是引起水翼结构大幅振动的主要原因。获得了冲击波机制下空泡溃灭机理及冲击波推进规律，空泡溃灭产生的高压导致附着型空穴的再次溃灭，形成较大的压力脉冲，其余波造成压力回弹及附着型空穴长度波动。