基于cfd的半球头回转体空化流动的数值模拟

基于cfd的半球头回转体空化流动的数值模拟

1nt的框架下的实现在这项工作中，基于均匀河流假设，建立了自然空虚流动的多相流cfd模型，并在商业软件fluent的框架内实施了fluento实现。文中首先给出了匀相流空化模型的理论公式和数值方法,然后计算了一种半球头细长回转体的局部空化流动并与实验数据进行比较已验证该模型的有效性和模拟精度,最后计算并分析了三种典型头型的空化流动以及有后体情况下的空化流动。2理论公式2.1体积分数传输方程连续方程:∂ρm∂t+∂ρmuj∂xj=0(1)N-S方程:∂ρmui∂t+∂ρmuiuj∂xj=-∂p∂xi+∂∂xj[(μ+μt)(∂ui∂xj+∂uj∂xi)](2)其中,ρm=ρlαl+ρv(1-αl),μt=ρmCμk2ε(3)体积分数传输方程:∂αl∂t+∂αluj∂xj=(˙m++˙m-)(4)2.2液符合度方程液体在低压下的自然空化过程是一个复杂的相变热力学过程。这一复杂过程通过方程(4)中的源项来模拟。Merkle等引入了汽液两项间的质量传输作为方程(4)中的源项。Kunz等根据与Merkle等同样的原理将汽化过程和凝结过程进行细化得到:˙m-=Cdestρvαlmin[0,p-pv]ρl(12ρlU2∞)t∞˙m+=Cpridρvα2l(1-αl)ρlt∞(5)其中,Cdest和Cprod分别为汽化和凝结传输过程的经验常数,时间单位定义为特征长度与参考速度的比值(l/U∞)。2.3湍流生成项,采用带有壁面方程的原始k-ε湍流模型实现湍流封闭:∂ρmk∂t+∂ρmujk∂xj=Ρ-ρmε+∂∂xj[(μ+μtσk)∂k∂xj](6)∂ρmε∂t+∂ρmujε∂xj=Cε1εkΡ-Cε2ρmε2k+∂∂xj×[(μ+μtσε)∂ε∂xj](7)其中,湍流生成项,雷诺应力张量项和Boussinesq涡粘度分别定义如下:Ρ=τij∂ui∂xj‚τij=¯-ρu´iu´j¯u´iu´j=23kδij-vt(∂ui∂xj+∂uj∂xi)(8)Cε1,Cε2,σk,σε为经验常数。3体积分数传输方程方程(1)～(8)构成了完整的匀相流空化模型。根据匀相流假设,混合物满足雷诺平均N-S方程(1)～(2)。引入体积分数的概念来描述混合物中液体相和气体相所占的比例,按式(3)确定混合物的密度和粘性,求解体积分数传输方程(4)来确定液体相的体积分数。(4)式右端的源相用于模拟空化过程中汽液量相间的质量转化。求出液体体积分数后,液气两相体积各占50%(体积分数等于0.5)的网格单元可视为液气界面即空泡壁。可以使用多相流CFD方法进行数值求解。文中在商业软件Fluent的框架内,使用UDF等功能实现了上面的匀相流模型。4实验结果分析为了验证该模型的有效性和精度,计算了半球头细长回转体空化绕流。图1给出了选择的计算流动区域的形状,边界条件定义和网格划分情况。在速度入口边界指定流动的速度和湍流参数,在压力出口边界指定流动的压力和回流湍流参数,壁面指定无滑移条件。为了获得曲线贴体网格,选取了如图1所示的计算区域,在壁面附近分布较密的网格。图2给出了半球头回转体的表面压力分布计算结果与实验结果的比较,实验数据取自文献。可见,计算结果与实验结果吻合良好,表明该模型精度较高。5典型空化器空化流数值模拟5.1空化器空化后的阻力图3给出了圆盘空化器有无后体条件下在空化数s=0.2时的压力系数(左边)和密度(右边)分布图,其中用细实线标出了空泡的外形。图3中显示圆盘空化器无后体时,空泡自由闭合在一个圆盘面上;有后体时,空泡闭合在圆柱侧面形成明显的回射流。图4给出了圆锥空化器有无后体条件下在空化数σ=0.2时的压力系数(左边)和密度(右边)分布图,其中用细实线标出了空泡的外形。图4中显示圆锥空化器无后体时,空泡自由闭合在一个内凹的圆锥面上;有后体时,空泡闭合在圆柱面时也存在明显的回射流。图5给出了两种空化器有无后体时的空泡外形比较,图5中,粗实线为无后体时的空泡外形,细实线为有后体时的空泡外形。图5中显示圆锥和圆柱空化器在有无后体时空泡最大直径之前的部分重合,无后体自由闭合的超空泡比闭合在后体上的局部空泡长,这是由于空泡闭合在圆柱面上引起的。设想如果后体为直径不断增大的圆台则空泡理论上闭合在自由超空泡与后体壁面的交线上,实际上由于回射流的存在空泡闭合位置更靠前。表1给出了两种空化器共四种组合在非空化和空化(σ=0.2)条件下的阻力系数的计算结果。从表1中可以看出两种空化器没有后体时,空化后阻力都有所降低,有后体时,空化后阻力有所增大;在相同空化条件下,圆盘空化器有无后体阻力系数大致相同,圆锥空化器有后体时阻力有所增加。5.2空化器的超空泡与喷口的距离射流空化器的原理是从运动体前端面喷射液体(水)或气体(空气),形成射流,射流与来流相遇形成驻点面,在该面上流体速度为零,其作用相当于固体圆盘空化器,形成驻点面的基本条件是射流的动压大于或等于来流的动压。通过调节射流的速度可以改变空泡驻点面与喷口的距离,借此可以调节空泡与运动体的位置关系以及闭合位置等,从而达到控制空泡的目的。下面计算射流空化器形成的自由闭合超空泡和有后体时的局部空泡。圆形喷口以26m/s的速度喷射水流同时以25m/s的速度在水下运动。图6给出了射流空化器在有无后体时的压力系数(左边)和密度(右边)分布图,图6中,细实线标出了空泡外形。图7给出了射流空化器有无后体时的空泡外形,图7中,粗实线为无后体时的空泡外形,细实线为有后体时的空泡外形。图7中显示空泡最大直径偏后,两个空泡前部重合,无后体的自由闭合超空泡比有后体的局部空泡长。图8比较了σ=0.3时,射流空化器和圆盘空化器产生的空泡外形的比较,图8中,粗实线为圆盘空化器产生的空泡,细实线为射流空化器产生的空泡。可见相同空化数下,射流空化器产生的空泡尺寸比圆盘产生的空泡大得多。6模型求解能力的验证文中基于匀相流假设建立了自然空化流动的多相流CFD模型,并在Fluent框架下应用UDF等方法实现了该模型,模型具有求解二维/三维,定常/非定常,局部空化/超空化流动的能