水翼表面微结构设计及其对空化流场影响研究

摘要

空化是造成水力机械性能下降、系统振动、噪声和叶片表面空蚀的重要原因，而水力机械一般具有较复杂的结构和较高的旋转速度，实验和数值模拟均不易对空化的发生和演化的机制进行细致的研究，因此针对绕水翼空化问题的研究可以帮助更好的理解发生在水力机械中的空化问题，探寻改善或抑制云空化的手段方法，进而提高水力机械的性能。本文围绕 NACA0066水翼的空化问题，探究在水翼表面布置射流水孔抑制空化的效果。
　　本研究在比较优选的基础上验证了密度修正的RNG k-ε湍流模型结合Singhal et al.全空化模型在空化计算上的准确性，模拟准确地预测了空泡脱落频率和空化体周期性演化形态。然后采用选定的模型对绕水翼空化的频谱特性进行研究，发现当水翼攻角为6°时，随空化数升高，空腔振荡频率逐渐降低，在云状空化阶段，表征空腔不稳定性的功率谱密度较高；在云空化和片空化的过渡阶段，出现功率谱密度的突然跃升，当空化形态为片空化时，功率谱密度逐渐降低。当水翼攻角为8°和10°时，在云状空化阶段，空腔振荡频率基本不随空化数的变化而改变，其斯特劳哈尔数（St）均稳定在0.21附近；在云空化和片空化的过渡阶段（σ/2α=3.5附近），同样出现功率谱密度的突然跃升。在此基础上，着重研究二维水翼射流水孔布置位置，射流出射角度与空化抑制效果和水翼水动力性能之间相互作用的规律。对6°攻角和8°攻角水翼在不同空化工况下注入射流的研究表明：最佳射流位置仅与水翼的攻角有关，该位置位于相应攻角下水翼上弧线的顶点。射流角度是影响空化抑制效果的又一重要因素。研究发现，当射流方向逆来流方向，并与来流呈155°夹角时，空化抑制效果较为明显，同时对水翼动力特性也有一定程度的提升。文章还初步分析了注入射流抑制空化的机理：在合适位置以适当的角度注入射流，相当于给边界层注入能量，射流的注入同时改变了水翼表面的压力分布，水翼尾缘逆压梯度明显减小，进一步减弱了回射流漩涡形成的动力，空化得以有效抑制。基于二维水翼的模拟结果，研究了三维水翼翼展方向孔隙率φ对空化的抑制效果，从空化体的周期演化形态，回射流的运动特性，水翼的动力特性等多角度揭示了射流的引入对水翼空化流场的影响。在最佳射流位置（x=0.25c），单排射流水孔翼展方向的孔隙率不宜超过58.92%，过高的射流孔隙率会造成水翼动力性能明显下降。

目录

声明

1绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 研究现状

1.3 本文的主要研究内容

2计算模型的比选和空化的频谱特征

2.1 数值计算方法

2.2 湍流模型和空化模型的比选

2.3 空化的频谱特征和动力特性

2.4 本章小结

3二维水翼表面布置射流水孔抑制空化的探索研究

3.1 空化抑制的适应性研究

3.2 射流强度的影响

3.3 射流位置的影响

3.4 射流角度的影响

3.5 空化抑制机理分析

3.6 本章小结

4三维水翼表面布置射流水孔抑制空化的探索研究

4.1 三维水翼云空化研究

4.2 翼展方向孔隙率的研究

4.3 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢