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汽蚀模型及湍流修正对非稳态汽蚀影响机理

作　者: 张伟
导　师: 张小斌
学　校: 浙江大学
专　业: 制冷及低温工程
关键词: 非稳态汽蚀模型动态汽蚀模型 NACA66 Twist-11N 湍流粘性
分类号: TK121
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

汽蚀是由于流场中局部压力低于流体饱和蒸汽压,液体汽化并产生充满气体或蒸汽的气穴现象。汽蚀经常会给水力机械带来许多不可避免的问题,比如振动、升阻力系数波动、结构表面剥蚀和水力机械性能恶化等。非稳态汽蚀带来的破坏更加严重,比稳态汽蚀也更复杂无规律,它是相变、湍流、非稳态性和漩涡运动的共同耦合。其中前两种因素影响最为明显,本文也即是探讨汽蚀模型(相变)和湍流模型对汽蚀非稳态性的影响。1.完全汽蚀模型模拟稳态汽蚀准确且收敛性较好,现已成为计算流体力学商业软件Fluent的基本模型之一。然而它假定汽蚀现象中气泡半径为常数,这并不符合非稳态汽蚀。在热力学平衡的基础上本文重新计算并获得了随当地压力变化的气泡半径,从而构建了适用于非稳态汽蚀的动态汽蚀模型。并将该模型应用于绕二维NACA66翼型和三维Twist-11N翼型的非稳态汽蚀验证。计算结果和实验吻合,和完全汽蚀模型相比,动态汽蚀模型计算的周期误差更小,并且能够刻画气穴脱落特征,有利于改善流场质量流量计算和水力机械性能分析,表明动态汽蚀模型用于非稳态汽蚀可行性和准确性。2.低温流体物性迥异于常温流体,它的汽蚀现象也有着重大差异。而现有的汽蚀模型及其经验系数又都是针对常温流体建立的,在低温下的适用性还有待验证。进一步分析了常用的Sauer模型和Zwart模型对低温流体汽蚀模拟的适用性,通过和Hord的实验对比分析,发现Sauer模型计算的汽蚀区长度精度更高,温度最低点位置也更接近实验,也即更适用于低温流体汽蚀模拟。3.湍流模型是影响汽蚀非稳态性的另一个重要因素。但常用的K-ε模型计算的汽蚀区尾迹的湍流粘性过高,削弱了流场的非稳态性。本文最后详细分析了K-ε湍流粘性修正方案对非稳态低温流体汽蚀的影响。通过和精度更高的大涡模型结果对比分析,指出基于密度修正模型较边界修正模型和滤波模型更适用于非稳态汽蚀模拟。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-7
ABSTRACT  7-9
主要符号表  9-12
1 绪论  12-31
  1.1 研究背景及意义  12-18
    1.1.1 汽蚀现象  12-13
    1.1.2 汽蚀分类  13-15
    1.1.3 汽蚀的影响  15-17
    1.1.4 汽蚀的研究意义  17-18
  1.2 国内外研究现状  18-30
    1.2.1 汽蚀数值模型  18-20
    1.2.2 湍流模型发展  20-24
    1.2.3 低温流体汽蚀特性  24-27
    1.2.4 低温流体汽蚀实验研究  27-30
  1.3 研究内容  30-31
2 基于动态汽蚀模型的二维非稳态汽蚀数值研究  31-49
  2.1 引言  31-32
  2.2 动态汽蚀模型  32-36
  2.3 几何模型与网格  36-39
  2.4 结果分析  39-45
    2.4.1 稳态流动(σ＝1.34)  39-42
    2.4.2 非稳态流动(σ＝1.25)  42-45
  2.5 本章小结  45-49
3 基于动态汽蚀模型的三维非稳态汽蚀数值研究  49-59
  3.1 引言  49-51
  3.2 数值模型  51-54
    3.2.1 动态汽蚀模型  51
    3.2.2 湍流模型  51-52
    3.2.3 几何模型与网格  52-54
  3.3 结果分析  54-57
    3.3.1 不同模型结果对比  54-55
    3.3.2 流场的周期性分析  55-56
    3.3.3 翼型表面速度矢量分布  56-57
    3.3.4 翼型表面的汽蚀  57
  3.4 本章小结  57-59
4 非稳态低温流体汽蚀数值研究  59-76
  4.1 引言  59-60
  4.2 几何模型和网格  60-61
  4.3 网格独立性  61-62
  4.4 汽蚀模型  62-65
  4.5 湍流模型  65-74
    4.5.1 RNG模型  65-66
    4.5.2 大涡模型  66-69
    4.5.3 滤波模型修正  69
    4.5.4 基于密度修正模型  69-72
    4.5.5 边界修正模型  72-74
  4.6 本章小结  74-76
5 全文总结与展望  76-78
  5.1 全文总结  76
  5.2 展望  76-78
参考文献  78-85
攻读硕士学位期间所取得的科研成果  85

汽蚀模型及湍流修正对非稳态汽蚀影响机理

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