空化数值模拟

1、空化数值模拟文献综述课题争论背景在水力机械的工作系统中，其主要工作介质是不行压缩的水。由于水质状况、机械结构 和局部过流部件的外形以及机械的运行工况等因素，使得介质在流经某些区域时，其整体压 力会不断下降。当温度肯定时，当其压力到达饱和蒸汽压力时，就会发生汽化，产生空泡（气 泡）；止匕外，在水中溶解的气体也会不断的析出，形成空泡。在空泡产生、进展和溃灭的运 动过程中，在可压缩的空泡和不行压缩的水间会发生简单的物理、化学变化，这种现象即为 空化。在工程实践中，通常采纳空化数来定量描述空化：一般情形下，空化数越小，空化 现象越严峻。假如在水力机械运行中发生空化现象，通常会带来一系列的问题，由于空化

2、的实质是流 体的动力学及热力学的联合作用，液体介质的局部液-气相变。在液体内部一经消失空化， 就会破坏液体的连续性，转变液体的水动力特性，并会在固体边壁上诱发空蚀，产生空化噪 声及激发机械振动。此外，在空泡溃灭时，还会产生剧烈的振动和噪声，降低水力机械的能 头、工作效率及使用寿命。但是随着科技大进展，对空化现象的应用争论也越来越多。如 可以采用空化产生的噪音和振动去清洗部件；采用空泡溃灭所产生的高温、高压在污水处理 中去分解水中的有机混合物等有害物质；而采用通过在水下航行体四周形成的超空化那么可以 使水下航行体减阻，在这方面前苏联已于1977年成功的争论出了航速到达200节的超空化鱼 目？ 由

3、 。由此可见对于空化现象的争论，一方面可以减小水力机械运行中空化产生的可能或尽量 减小空化的危害，另一方面那么可采用空化在实际应用中产生重大作用。空化争论进展早在1753年，Euler就指出：当水管中某处的压强降低到负值时，水自管壁分别，而 在该处形成一个真空空间，这种现象应予避开。这是科学家第一次预言液体会发生空化。19 世纪后半叶，由于工业的快速进展，使得蒸汽机船开头大量使用。但是人们觉察，在螺旋桨 转速提高到肯定程度后反而消失了船舶航行速度下降的现象。雷诺曾在1873年认为这种现 象是在螺旋桨上压强降低到真空时，由于吸入空气导致。在1897年，通过英国“果敢号” 鱼雷艇和几艘蒸汽机船相继

4、发生螺旋桨效率严峻下降大事进行调查之后，Barnaby和 Parsons第一次明确地提出了 “空化”这一概念，并指出当液体和固体间存在高速相对运动 时可能消失空化。C.A.帕森斯于1896年建立了当时世界上第一个争论空化现象的小型水洞。 而在20世纪40年月，美国科学家托马斯设计并制造了减压箱，并在减压条件下争论泄水建 筑物的空化现象。近年来，随着大型水力机械的推广和适用，百米级的水电站间续建设，高 速水流在水力机械的过流部件中简单产生空化，影响系统的正常运行，甚至造成重大的平安 事故，这些都使得对空化问题的争论显得尤其迫切。到目前为止，国内外很多争论人员从不同的角度，通过不同的方法对空化现象

5、进行了开 展了大量的争论工作，取得了一系列的争论成果。但是由于引起空化的缘由的多种多样，使 得目前对空化流淌的争论主要集中在空化初生及其影响因素，空化现象的理论分析-空泡动 力学，空化流场的试验测量以及空化现象的数值模拟等方面。1空化初生及其影响因素空化初生空化初生是在流场中由于流速不变而压力降低时，微小区域内部偶然消失微小空穴的临 界状态称为空化初生。影响空化发生的因素有很多，但是主要是压强和流速，所以定义临界 空化数或初生空化数来描述空化：3=（Pi-Pv）/Ju念 对于任何流场，当。3时，不会 发生空化；反之，那么发生空化。由于初生空化数的离散度比拟大，在实际工程应用中，常用 来描述空化

6、产生的是消逝空化数，即在流场中消失空化后，进一步提高流速或降低压强使流 场中消失比拟严峻的空化状态；然后再渐渐降低速度或增大压强，使空化区域的范围渐渐减 小，到达某一空化数时，当压强最低点四周的间歇性空泡区域消逝时，与此对应的空化数那么 成为消逝空化数。消逝空化数一般大于初生空化数。目前推断空化初生的方法有以下几种：目测法、噪声法、光学法、Y射线法、全息摄影 法以及纹影法，而使用最多的是目测法和噪声法。影响空化初生的因素液体在流经水力机械时，由于液体本身的特性、流道的简单性以及工况的多样性，使得 影响空化初生的因素主要有以下几种：液体中气核含量及分布、液体的粘性、压强分布、来 流湍流度、液体的

7、说明张力、流体介质、壁面物性的作用以及流体的速度。空化现象的发 生可能是其中一种因素的影响结果也可能是多种因素综合作用的结果。2抱负球形空泡动力学抱负球形空泡动力学是指争论单个空泡的运动特性及其有关动力变化过程的学科，其 最闻名的成果是Rayleigh和Plesset建立的Rayleigh-Plesset方程。蒋炎坤在建立了一个 气泡运动数学模型后，通过对模型进行求解以及仿真得到了气泡的特性，徐炯等通过高 速摄影技术争论了稳定状态静止水下气泡的生成和运动形态，具体争论了气泡的动力理论特 性。3空化流场的试验测量空化流场的测量主要包括三个方面：流速、流量、压强等流淌参数的测量谭磊，曹树良等对带有

8、前置导叶的离心泵进行空化试验，得到了无导叶、导叶预旋角 12时的离心泵的空化性能曲线阿；黄彪，王国玉等采纳高速摄像技术观测了水洞中绕 Clark-Y型水翼的非定常空化流淌现象，并采纳粒子成像测速系统（PIV）对绕Clark-Y型水 翼空化流场的涡量场和速度场等流淌特性进行了试验分析空化区域、空化位置的观测和纪录借助于高速摄影技术，可以完成对空化区域、空化位置的观测和纪录。韩伟，董志勇等 人采纳高速摄影技术对水洞中半圆柱突体的空化结构进行了试验争论得到了空化区域大小 与掺气浓度的关系口刃。（3 ） 气核尺寸和分布规律的测量徐洁，潘森森等人采纳红宝石脉冲激光器测量了水洞中的空化核，得到了其核谱，并

9、得 到了空化核谱的函数形式及核谱对水流速度、局部压力等参数的依靠关系”，4空化流淌的数值模拟在早期争论空化问题时，大多采纳理论分析和模型试验方法，但是由于空化产生不机理并不是很明确以及在模型试验中不易实现空化特性的精确相像，使得对空化的争论结果并不精确。随着计算机技术的飞速进展和计算流体力学理论的不断完善,数值模拟渐渐成为争论空化问题的主要手段。近些年来，随着CFD技术的进展，使空化流淌 数值模拟从最初的无粘计算进展到湍流计算，从二维模拟进展到三维模拟，从单相模拟进展 到两相空化湍流模拟，计算方法也有线性理论进展为非线性理论数值模拟争论主要包括空化模型的建立、流体掌握方程的求解以及湍流模型的选

10、择等方 面闻。4.1空化模型的建立为了精确地对空化现象进行数值模拟，需要建立合适的空化模型。一个合适的空化模型可以精确模拟流场中宏观物理量的特性以及将计算掌握在肯定的简单程度内，为空化的争论供应可行的计算思路。空化模型争论的基本思路为：从空泡动力学 和计算流体力学等基本理论动身，依据并简化已有条件，提出空化模型，然后进行实例计算 和试验争论；通过统计、比照、分析计算和试验数据，对模型进行修正，再进行计算和试验 验证。如此反复改进，直至得到较为完善的空化模型。空化模型的种类很多，依据其采纳的 数学模型不同可将其分为两类：基于势流理论的空化模型和基于N-S方程的空化模型1。4.L1基于势流理论的空

11、化模型势流理论即是假定空泡内的压强为常数且等于饱和蒸汽压，水流自由边为空泡边界，并 且假定空泡气液界面动力平衡以及对空泡闭合边界对特别规定以此得到空泡的形态，其数值 方法为边界元法。詹金林，卢晓公平人以无界流场势流理论为基础，采纳边界元法，对船舶 在斜航运动状态下的流场速度和转首力矩进行了计算，并争论了转首力矩随船舶漂角的变化 规律，结果说明，采纳势流理论可以精确地猜想船舶的斜航规律皿；张宝吉，马坤等以势流理论为基础，采纳Rankine源法计算了某油轮的兴波阻力，其数值计算的结果与 试验值较吻合，较好了反映了船体的兴波状况。由于这种方法采纳过多的假设，使得其主要用来争论类似水翼、船舶螺旋桨等水

12、力机械。4. L 2基于N-S方程的空化模型由于在N-S方程不仅考虑了液体粘性对空泡形成、进展、溃灭的影响，并且可以和湍流 模型有机结合，使得这种方法相对于基于势流理论的空化模型能更好的模拟定常的片状空化 以及非定常的空化云、漩涡空化现象。这种方法又可以分为两种，其中一种是界面跟踪方法。界面跟踪方法认为气泡内是连续的气体，在气相和液相之间存在着清楚的界面，把液相 -气相界面作为整个计算区域的边界并且使这个空化区域和边界处的压力等于当地气相压 力，在液相流场中计算空化区域的边界。李军等针对两相附着的空化流淌机理，采纳基于界 面跟踪方法进展了新的空化模型和算法计算得到了附着汽蚀外形，并用具有试验数

13、据的半球 形圆柱体汽蚀绕流现象来验证了其提出的算法的有效性阴。由于界面跟踪方法假定了气相和 液相之间存在着清楚的界面，因此这种方法并不适用于界面比拟模糊的云状空泡的模拟，且 由于其对流体的粘性、压缩性以及湍动特性的争论比拟困难，使得该方法对三维简单空化流 淌的模拟存在较大困难。但是李军等人在文献19基础上将其进展的空化模型和算法应用与 弯管内的空化流淌数值猜想，结果证明了基于液相-气相的界面跟踪方法可以适用于三维空 化流淌1。这说明，界面跟踪方法可以适用于简答的三维空化流淌现象。另一种方法为界面捕获方法，这种方法基于气液两相流淌的物理模型，采纳全流场的N-S 方程或欧拉方程争论对象。由于界面捕

14、获方法避开了界面跟踪方法中对空泡脱体点及闭合模 型等方面的严格限制，使得其可以直接应用于三维问题皿。谭磊，曹树良等采纳界面捕获方法，数值求解了RANS方程，模拟了二维NACA66(Mod)翼 型的定常、非定常空化流淌，结果说明，该方法可以较好的模拟非定常空化云的初生、进展、 裂开和脱落的周期性过程此外，Kubota等提出了基于气泡动力学的两相模型，使用Rayleigh-Plesset方程求解 空化流，并在1991年采纳该模型对翼型的非定常空化进行了争论。这种空化模型重点考虑了 空化初生和进展时空泡体积变化的影响，适于模拟空化的非定常特性。由于空化流淌中存在 着相变过程，因此在低压区存在较大的密

15、度变化，Singhal等人充分考虑这些影响空化的因 素，通过添加源相来调整气液两相间的传输，并在2002年才有此模型对翼型的空化特性进行 了争论。周凌九，王正伟等采纳气液混相均质假设和基于组分输运方程的空化模型，在考 虑不行凝聚气相的影响下，通过求解气液混相均质流的雷诺平均N-S方程以及气相组分输运 方程，计算得到了混流式水轮机尾水管内部的空化流场加o4. 3流体掌握方程的求解随着计算流体动力学的进展，目前所求解的大多是多相空化流淌，但是在多相流中绝大 局部区域如液体和空泡内部都是不行压缩的，只有在气液两相间的过渡区存在可压缩性，因 此在气液两相的交界处存在密度值的急剧变化。针对这一流场结构特

16、点，现在多采纳下面两 种方法求解空化流淌的N-S方程。3.1基于不行压缩流的压力修正算法，即SIMPLE求解方法张乐福，张亮等人对混流式水轮机应用三维混合流体完整空化湍流模型，采纳SIMPLE算 法对混流式水轮机全流道进行了模拟计算，结果说明计算结果与试验结果非常吻合如。谭磊, 曹树良等人引入正压流体假设的空化模型，考虑空泡内的可压缩性，采纳SIMPLE算法对二维 NACA66翼型的定常、非定常空化流淌进行了计算，其结果与试验相符。3. 2基于可压缩流的预处理方法薛具奎应用预处理技术对不行压N-S方程使用双时间推动法求解，不但提高了计算效 率，而且减小了人工粘性，改善了数值解的精度阿。刘仙名，

17、符松等将预处理方法应用于全 速度范围的非定常N-S方程的数值求解中，记过说明，该方法在较宽的使用范围内能得到抱 负的计算结果。4湍流模型的选择目前对空化湍流流淌的数值计算中多采纳以下几种湍流模型：标准k - 两方程模型加壁面函数法。王勇，刘厚林等人应用标准k - 湍流模型, 并在在固壁处采纳无滑移边界条件，近壁区采纳Scalable壁面函数，对一比转速为94的离心 泵在不同工况下数值模拟其内部的空化特性，猜想了模型泵在无空化时的能量特性以及在空 化发生时的空化性能胸。而庄保堂，罗先武等人采纳标准K-湍流模型对立式多级筒袋泵 诱导轮及首级叶轮内的空化流淌进行数值模拟，得到了其空化的进展过程固。R

18、NG k -莫型及其修正模式。李晓俊，袁寿其等基于RNG k - 湍流模型模拟 了带诱导轮的离心泵的空化流淌，获得了离心泵在空化条件下流道的空泡分布和扬程下降规 律加。郝宗瑞，王乐勤等对NACA0015水翼采纳修正的RNG k - 湍流模型数值模拟了其非定 常二维空化流场，得到了不同空化数下的非定常流场结构及其演化过程的流淌特性、而张 博，王国玉等人那么用一种密度函数去修正RNG k - 湍流模型，并将其应用于绕Clark-y型 水翼云状空化流淌的数值模拟中，精确地捕获到了云状空化区域的空穴形态和空泡脱落的非定常细节。大涡模拟或分别涡模型（LES/DES）。袁建平，付燕霞等采纳大涡模拟方法，

19、对带有长短叶片叶轮的离心泵进行全流道数值模拟，得到了蜗壳流道压力脉动分布特性同。 而黄剑峰等人那么应用大涡模拟方法中的Smargorinsky模型，对某混流式水轮机的全流道进行 了三维瞬态湍流数值模拟，模拟结果显示了水轮机在运行中的各种瞬态细节过程。此外，赵静等人采纳标准k-模型，RNG k-模型，修正过的k-模型和DES模型去模 拟水翼的空化性能，结果显示DES模型所猜想的水翼外表压力系数与试验结果最为接近，其 他模型均存在偏差，其中标准k-模型偏差最大。董宇红通过将Boltzmann方程和大涡模 拟(LBE-LES)相结合，提出了适应于格子Boltzmann方法(LBM)的涡粘性亚格子尺度

20、模型， 并在此基础上开展了匀称各向同性湍流时空关联性争论的。黄彪，王国玉等人那么分别采纳 Kubota和Singhal两种空化模型去数值模拟非定常云状空化流淌，通过将数字模拟的结果比 试验结果比照觉察采纳Singhal空化模型所得到的空化漩涡区以及空泡云的漩涡分别的脱 落形式与试验结果更接近】。空化争论展望本文从空化初生、空化现象的理论分析、空化流场的试验测量以及空化数值模拟等方面 对空化的争论现状进行了介绍。可以看出，虽然在理论和试验上前人已经取得了一系列的成 果，但是由于空化本身是一种简单的物理化学变化过程，理论推导中不免加入很多假定条件, 而试验争论所耗费的时间本钱和物质本钱又相当巨大，

21、这使得这两种方法并不能完全解答当 前空化争论中的问题。由于计算机技术的快速进展以及计算流体动力学理论的渐渐成熟，使 得数值模拟这一方法在空化现象的争论中显得渐渐重要起来。不难看出，由于各种数值模型 的进展以及数值计算结果的精确性，使得CFD技术成为今后争论空化的重要手段。此外，由于空化带来的空蚀除了会对水力机械产生破坏外，还有其乐观作用的一面，这 些也可以作为空化争论的重点。参考文献1袁丹青，陈向阳，白滨，丛小青.水力机械空化空蚀问题的争论进展J.排灌机械.2022,27(4) : 269-272.2杨帆,陈伟政，唐学林.空化流淌争论进展J .流体机械.2022, 37 (11)体机42.3王

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