典型空化状态下空化与湍流的相互作用机制

Cavitation occurs in the flow over under-water vehicle, marine propeller, and inside hydraulic machines, and belongs to a kind of physics phenomenon of hydrodynamics. The process of cavitation involves the complicated transfer of mass and momentum. The present project will study the numerical modelling method for cavitating turbulent flow, the advanced experimental methods, and the evolution of cavitating turbulent flow under typical cavitation conditions. Through the study, the following achievements are expected: (1) Based on the homogeneous mixture assumption and MPANS method, a numerical method suitable for cavitating turbulent flow is proposed; (2) By using several sets of high-frequency PIV system and signal synchronization technology or Tomo-PIV, the advanced PIV testing method will be developed; (3) It is necessary to depict the mechanism of the interaction between cavitation and turbulence, and reflect the effects of cavitation on turbulence near wall. The project will support the solutions of basic turbulent flows corresponding to high-speed propulsion, under-water launching or cross interface launching, huge hydro-power, etc., and will be helpful for the basic study and engineering application for cavitation. Thus, the project has important effects for the society development.

空化广泛存在于水下兵器、船舶螺旋桨、水力机械等的内流与外流中，是一种特殊的水动力学现象。空化演变涉及质量与动量交换、相变及湍流，过程极其复杂。本项目拟围绕空化湍流的精细化数值模拟方法、空化湍流的先进试验技术，以及在典型空化状态空化湍流的时空演化规律三个方面展开研究。预期成果包括：基于均质混合流假设与MPANS方法，构建一套适合于空化湍流精细化分析的数值模拟方法；基于多套高频PIV及同步流场拼接方法或Tomo-PIV技术，发展先进的PIV流场测试方法；揭示在典型空化状态下空化与湍流的相互作用机制，以及空化对近壁区湍流发展的影响规律。本项目研究成果为从根本上解决高速水下推进、水下与跨界面发射、巨型水力发电等国家重大工程中的湍流基础难题奠定基础，进一步促进空化基础理论与工程应用研究。因此，项目具有重要的科学价值，可望在未来产生很好的社会经济效益。

空化与湍流并列为流体力学界的世纪难题，尤其空化是高速水动力学的“卡脖子”问题，是我国高速船舶、水利水电、航天与兵器等行业关键技术研发的理论障碍。工程中的空化与湍流通常相伴而生，存在极强的相互作用，然而其作用机制与规律尚不清晰。项目针对空化与湍流相互作用机制的科学问题，开展了适合于空化湍流精细化分析的数值模拟方法、空化流场的先进试验方法、典型空化状态下空化湍流的时空演化规律，以及工程流动中的空化湍流特征分析与控制等方面研究。通过构建基于修正k-omega SST双方程的动态MSST PANS湍流模型与基于均质混合流体假设的多组分空化模型，形成了一套适用性广泛的空化湍流精细化模拟方法。该方法不仅可精确模拟绕水翼自然空化与通气空化的空泡演化与壁面压力分布，而且已应用于抽水蓄能机组泵工况中不稳定流动结构捕捉与混流式水轮机尾水管空化涡带的流场分析；分别以玻璃微珠与微气泡为液气两相流动的示踪粒子，发展了多套高频PIV沿流向拼接的高分辨率空化流场测量方法。该方法不仅可用于实验室中的绕水翼空化原理试验，也可为实际工程中空化流动测量提供有价值的借鉴；通过试验揭示了典型空化状态下绕水翼流动中空化与湍流相互作用的机制与影响规律：初生空化排挤水翼前缘近壁处的流体，使边界层增厚、边界层内流体减速；在水翼前缘，初生空化改变近壁处的湍流强度分布，即使空泡内的湍流强度减弱，空泡边界附近的湍流强度增强。而在水翼尾缘，初生空化使空泡边界附近及外层的湍流强度明显增强；流场中通气显著影响湍流结构的空间形态及分布规律，尤其是气液界面附近模态相干结构的转捩以及在尾流区中大尺度模态湍流结构的脱落过程。在相近的湍流脉动能量尺度下，通气空化促使流场中出现了更多的高频脉动成分。这些研究成果丰富了人们对空化湍流的基本认知，为今后湍流与空化的基础研究，以及解决实际工程中的空化湍流问题奠定了基础；揭示了混流式水轮机尾水管中螺旋形涡带与回流之间的强相互作用，以及空化减弱涡带与回流相互作用，从而抑制超低频压力脉动的机理。通过研究，发表期刊论文10篇、国际会议论文12篇，申请发明专利2项、软件著作权1项，成果推广应用取得重要社会经济效益，获得中国产学研合作促进会创新成果一等奖。