基于直接矩积分法的空化云溃灭模型研究

In order to improve the prediction accurancy of cavitation simulation, A cavity population balance equation is proposed in the calculation system to account for the effect of cavity coalelascence and break up during cavitation evolution.The break up model will be modified according to the "layer by layer collapsing theory".The direct quadrature method of moments (DQMOM) method is used to deal with the cavity population balance equation and coupled with the present cavitation mode.The Taylor expension and a sign function are introduced to modified the Total Stress Criteria(TSC) to account for the effects of the shear stress during the condensation of the cavity. The progrom will be complement based on above theory.The cavitating flow around hydrofoil under various attack angle will be calculated and the experiments will be conducted to measure the pressure fluctation as well as the lift and drag force on the foil. The caculation results and experiment data will be compared to verify the proposed method. Then the method will be used for the prediction of the critical cavitation parameters of the hydraulic machinery. the results will aslo compared with the experimental data the evaluate the accurancy of the method.

为了提高现有空化模型对空化流中翼型升阻特性的预测准确性，本研究将通过在空化流的计算中引入空泡数量平衡方程来描述空化演变过程中的空泡聚并与破裂，通过直接矩积分方法处理该方程,并采用分层溃灭理论修正空泡破裂模型,然后与现有空化流的CFD计算方法耦合，同时通过泰勒展开和引入符号函数的方法对原有全应力准则进行修正，以合理描述空泡的聚并与破裂以及剪切应力对空泡溃灭过程的影响；根据此思路编制计算程序，对不同攻角的翼型空化绕流进行计算；同时还将进行绕翼型的空化实验以测量翼型表面压力分布及升阻特性，通过计算结果与实测结果的比较对所建立的计算模型进行修正和验证；在此基础上，通过对模型水轮机或模型泵在典型工况下的空化流动计算，预测其临界空化参数，并与实测结果进行对比，考察模型在水力机械空化流计算中的适用性，为在设计阶段准确预测水力机械空化性能提供计算方法。

通过本项目的研究，首先建立了基于直接矩积分法的空化流动计算模型。为了模拟空泡的生长（空化核长大）、聚并、破碎，在两相流模型中，引入数量平衡方程（Population Balance Equation，PBE）：气相被看作是具有一定粒径分布的空泡，采用DQOMOM方法对PBE及其矩方程进行变换，并对矩积分采用直接积分近似，获得对PBE的求解。为了与空化流计算耦合，将原始的QDMOM方程变换为3对关于体积组分及其矩的方程，代替了传统空化流动计算的气相输运方程，不仅考虑了空泡流动的多尺度特征，还从统计角度考虑了空泡的生长、聚并和破碎等过程。.采用以上模型，首先对翼型的非定常空化流动进行了模拟，对不同的参数对计算结果的影响进行了分析。结果表明， DQMOM方法不仅能模拟出空腔长大和脱落的过程，还能预测出大空泡闭合区附近的小空泡以及翼型的尾迹区较小的气相体积分数。.通过射流泵的空化实验及空化流场的数值计算研究了剪切应力对空化的影响，实验表明，由于剪切及湍流扩散的影响，扩散管段存在着大量细小而分散的空泡，在不考虑空泡破碎的传统的空化计算方法中，没有获得这种细小的空泡的体积组分，而DQMOM方法则能预测出尾部剪切层中还存在较小的体积组分，与实验观察结果更加一致。.同时，还建立了基于全应力和涡量之比的漩涡辨识方法，并以此方法为基础，对空化的溃灭模型进行了修正，获得了与实验结果更加吻合的计算结果，明显提高了漩涡区空化的预测准确性。.对翼型的升阻特性的预测表明，大涡模拟与实验结果的一致性更好。随着空化系数的降低，翼型的平均升阻比降低，这也是空化导致水力机械效率下降的根本原因。对两台泵的临界空化余量进行了预测，结果表明，随着空化系数的降低，不同流量系数下的扬程都出现先维持平稳不变然后陡然降低的过程。但是小流量工况下的扬程陡降更加剧烈，在大流量情况下，扬程随空化系数降低得相对平缓，计算结果与实测结果吻合较好。