附着型流动中空化初生特性与机理研究

Near-wall cavitating flow can cause erosion, vibration, noise and many other adverse effects which are highly related with the resolution of some key technical problems in the field of ship industry, space industry and under water weapon, et al. The dynamics of inception cavitation in attached flows is a key scientific problem in the research field about cavitation issue. By combining a high-speed visualization system and a high-speed particle image velocimetry technology, the applicant plans to investigate the incipient cavitating flow characteristic around several axisymmetric bodies with different headforms. The unsteady incipient cavity evolution and turbulent flow characteristic will be analyzed to obtain the influence of incipient cavity growth and collapse on turbulent flow field. Through the analysis of experimental data, the existing cavitation model parameters will be optimized using the surrogate model-based method, and a modified turbulence model will also be proposed, in order to improve the existing numerical method of simulating incipient cavitating flows. Based on both experimental and numerical methods, the incipient cavitating flow structures will be further investigated to obtain the influence of boundary layer flow pattern on cavitation inception formation and development, the relationship between cavitation inception development and local flow structure will also be analyzed to illustrate the interaction mechanism between incipient cavity evolution and vortex motion.

绕流物体表面的空化现象所引起的空蚀、振动、噪声等不利影响，关系到航天、船舶以及水下兵器等多个工程领域的关键技术问题的解决。附着型流动中的空化初生机理一直是空化研究的一个核心科学问题。申请者将综合采用高速全流场显示技术和高速粒子图像测速技术开展绕不同头型回转体的初生空化流动特性的实验研究，分析不同绕流条件下初生空化形态的非定常演变规律以及初生空化区域的湍流脉动特性，掌握初生空化的发展与溃灭对湍流流场的影响规律；将基于对实验结果的分析和模化，采用代理模型的方法对现有空化模型的参数取值进行优化分析，同时提出一种对现有湍流计算模式的修正方法，以改进现有初生空化流动数值计算的模型与方法；综合运用实验和数值计算的方法，深入分析初生空化湍流流动结构，掌握边界层流动状态对初生空化的形成和发展特性的影响规律，研究初生空穴的发展运动与周围流动结构的关系，揭示初生空化形态的演变与流场旋涡运动的相互作用机理。

鱼雷、潜射导弹等航行体在水下高速运动时，其头部往往会发生空化现象并伴随噪声而影响航行体的稳定性，对于空化初生机理和形成条件的研究一直是空化领域的难点和热点，因此，探究绕回转体的初生空化流动特性具有十分重要的理论价值和工程应用背景。针对不同头型的回转体，采用数值计算的方法研究了初生空化流动特性及其影响因素，并探讨了抑制空化的方法策略，主要得到如下结论：.评价并建立了适用于模拟初生空化流动的数值计算方法。分析了Zwart空化模型和Schnerr-Sauer空化模型在初生空化流动数值计算中的应用特点，发现Zwart空化模型预测得到的初生空穴形态及其随时间的演变过程与实验结果更加吻合；综合考虑空化流场中湍流尺度和网格尺度的变化特点，发展了一种基于尺度修正的PANS模型，并将其与LES方法进行了对比分析，发现二者模拟得到的初生空穴的形态及其发展过程均与实验结果吻合较好，而修正PANS模型具有更好的计算经济性。.系统研究了回转体头型、来流湍流度和来流攻角对初生空化流动特性的影响规律。揭示了分离涡结构对初生空穴的形态特征、分布位置和运动特性的影响规律；来流湍流度主要影响近壁面流动结构，一定湍流度条件下，回转体肩部的湍流脉动特性增强，分离涡尺度增大，近壁面流场压力升高，一定程度上抑制了初生空化的形成；来流攻角主要影响初生空穴的分布及其发展运动规律，随着攻角的增大，初生空穴的随机周向运动逐渐转变为向回转体背流面靠拢的规律性的周向运动。.探讨了高压导流法和增设壁面粗糙带法对空化初生与发展的抑制机理。高压导流法使高压区域的流体通过导流孔在回转体肩部形成一股高速射流，改变回转体肩部的分离涡结构，提升当地流场压力，限制初生空穴分布在受高速射流的影响较小导流孔之间的区域，从而产生抑制空化的效果；在回转体表面增设一定高度的粗糙带，增强了近壁面流场的扰动，提升了空化区域的流场压力，使初生空穴数量减少尺度变小，抑制了初生空化的形成与发展。