基于cfd的半球頭回轉(zhuǎn)體空化流動的數(shù)值模擬

基于cfd的半球頭回轉(zhuǎn)體空化流動的數(shù)值模擬

1nt的框架下的實現(xiàn)在這項工作中，基于均勻河流假設(shè)，建立了自然空虛流動的多相流cfd模型，并在商業(yè)軟件fluent的框架內(nèi)實施了fluento實現(xiàn)。文中首先給出了勻相流空化模型的理論公式和數(shù)值方法,然后計算了一種半球頭細長回轉(zhuǎn)體的局部空化流動并與實驗數(shù)據(jù)進行比較已驗證該模型的有效性和模擬精度,最后計算并分析了三種典型頭型的空化流動以及有后體情況下的空化流動。2理論公式2.1體積分?jǐn)?shù)傳輸方程連續(xù)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)體積分?jǐn)?shù)傳輸方程:?αl?t+?αluj?xj=(˙m++˙m-)(4)2.2液符合度方程液體在低壓下的自然空化過程是一個復(fù)雜的相變熱力學(xué)過程。這一復(fù)雜過程通過方程(4)中的源項來模擬。Merkle等引入了汽液兩項間的質(zhì)量傳輸作為方程(4)中的源項。Kunz等根據(jù)與Merkle等同樣的原理將汽化過程和凝結(jié)過程進行細化得到:˙m-=Cdestρvαlmin[0,p-pv]ρl(12ρlU2∞)t∞˙m+=Cpridρvα2l(1-αl)ρlt∞(5)其中,Cdest和Cprod分別為汽化和凝結(jié)傳輸過程的經(jīng)驗常數(shù),時間單位定義為特征長度與參考速度的比值(l/U∞)。2.3湍流生成項,采用帶有壁面方程的原始k-ε湍流模型實現(xiàn)湍流封閉:?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,湍流生成項,雷諾應(yīng)力張量項和Boussinesq渦粘度分別定義如下:Ρ=τij?ui?xj?τij=ˉ-ρu′iu′jˉu′iu′j=23kδij-vt(?ui?xj+?uj?xi)(8)Cε1,Cε2,σk,σε為經(jīng)驗常數(shù)。3體積分?jǐn)?shù)傳輸方程方程(1)～(8)構(gòu)成了完整的勻相流空化模型。根據(jù)勻相流假設(shè),混合物滿足雷諾平均N-S方程(1)～(2)。引入體積分?jǐn)?shù)的概念來描述混合物中液體相和氣體相所占的比例,按式(3)確定混合物的密度和粘性,求解體積分?jǐn)?shù)傳輸方程(4)來確定液體相的體積分?jǐn)?shù)。(4)式右端的源相用于模擬空化過程中汽液量相間的質(zhì)量轉(zhuǎn)化。求出液體體積分?jǐn)?shù)后,液氣兩相體積各占50%(體積分?jǐn)?shù)等于0.5)的網(wǎng)格單元可視為液氣界面即空泡壁?？梢允褂枚嘞嗔鰿FD方法進行數(shù)值求解。文中在商業(yè)軟件Fluent的框架內(nèi),使用UDF等功能實現(xiàn)了上面的勻相流模型。4實驗結(jié)果分析為了驗證該模型的有效性和精度,計算了半球頭細長回轉(zhuǎn)體空化繞流。圖1給出了選擇的計算流動區(qū)域的形狀,邊界條件定義和網(wǎng)格劃分情況。在速度入口邊界指定流動的速度和湍流參數(shù),在壓力出口邊界指定流動的壓力和回流湍流參數(shù),壁面指定無滑移條件。為了獲得曲線貼體網(wǎng)格,選取了如圖1所示的計算區(qū)域,在壁面附近分布較密的網(wǎng)格。圖2給出了半球頭回轉(zhuǎn)體的表面壓力分布計算結(jié)果與實驗結(jié)果的比較,實驗數(shù)據(jù)取自文獻?？梢?計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合良好,表明該模型精度較高。5典型空化器空化流數(shù)值模擬5.1空化器空化后的阻力圖3給出了圓盤空化器有無后體條件下在空化數(shù)s=0.2時的壓力系數(shù)(左邊)和密度(右邊)分布圖,其中用細實線標(biāo)出了空泡的外形。圖3中顯示圓盤空化器無后體時,空泡自由閉合在一個圓盤面上;有后體時,空泡閉合在圓柱側(cè)面形成明顯的回射流。圖4給出了圓錐空化器有無后體條件下在空化數(shù)σ=0.2時的壓力系數(shù)(左邊)和密度(右邊)分布圖,其中用細實線標(biāo)出了空泡的外形。圖4中顯示圓錐空化器無后體時,空泡自由閉合在一個內(nèi)凹的圓錐面上;有后體時,空泡閉合在圓柱面時也存在明顯的回射流。圖5給出了兩種空化器有無后體時的空泡外形比較,圖5中,粗實線為無后體時的空泡外形,細實線為有后體時的空泡外形。圖5中顯示圓錐和圓柱空化器在有無后體時空泡最大直徑之前的部分重合,無后體自由閉合的超空泡比閉合在后體上的局部空泡長,這是由于空泡閉合在圓柱面上引起的。設(shè)想如果后體為直徑不斷增大的圓臺則空泡理論上閉合在自由超空泡與后體壁面的交線上,實際上由于回射流的存在空泡閉合位置更靠前。表1給出了兩種空化器共四種組合在非空化和空化(σ=0.2)條件下的阻力系數(shù)的計算結(jié)果。從表1中可以看出兩種空化器沒有后體時,空化后阻力都有所降低,有后體時,空化后阻力有所增大;在相同空化條件下,圓盤空化器有無后體阻力系數(shù)大致相同,圓錐空化器有后體時阻力有所增加。5.2空化器的超空泡與噴口的距離射流空化器的原理是從運動體前端面噴射液體(水)或氣體(空氣),形成射流,射流與來流相遇形成駐點面,在該面上流體速度為零,其作用相當(dāng)于固體圓盤空化器,形成駐點面的基本條件是射流的動壓大于或等于來流的動壓。通過調(diào)節(jié)射流的速度可以改變空泡駐點面與噴口的距離,借此可以調(diào)節(jié)空泡與運動體的位置關(guān)系以及閉合位置等,從而達到控制空泡的目的。下面計算射流空化器形成的自由閉合超空泡和有后體時的局部空泡。圓形噴口以26m/s的速度噴射水流同時以25m/s的速度在水下運動。圖6給出了射流空化器在有無后體時的壓力系數(shù)(左邊)和密度(右邊)分布圖,圖6中,細實線標(biāo)出了空泡外形。圖7給出了射流空化器有無后體時的空泡外形,圖7中,粗實線為無后體時的空泡外形,細實線為有后體時的空泡外形。圖7中顯示空泡最大直徑偏后,兩個空泡前部重合,無后體的自由閉合超空泡比有后體的局部空泡長。圖8比較了σ=0.3時,射流空化器和圓盤空化器產(chǎn)生的空泡外形的比較,圖8中,粗實線為圓盤空化器產(chǎn)生的空泡,細實線為射流空化器產(chǎn)生的空泡?？梢娤嗤栈瘮?shù)下,射流空化器產(chǎn)生的空泡尺寸比圓盤產(chǎn)生的空泡大得多。6模型求解能力的驗證文中基于勻相流假設(shè)建立了自然空化流動的多相流CFD模型,并在Fluent框架下應(yīng)用UDF等方法實現(xiàn)了該模型,模型具有求解二維/三維,定常/非定常,局部空化/超空化流動的能