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三维水翼及螺旋桨梢涡流场及空化的数值模拟
| 论文题名： | 三维水翼及螺旋桨梢涡流场及空化的数值模拟 |
| 关键词： | 三维水翼;螺旋桨梢;涡流场;空化流动;数值模拟 |
| 摘要： | 空化流动是一种包含了相变、可压缩性、湍流和非定常特性等的复杂流动。空化现象是船舶、航空航天、生物医药等多个工业领域关心的热点问题。在船舶行业,由于在螺旋桨梢涡涡核处存在极强的低压会使液相发生断裂形成空化即梢涡空化,梢涡空化不仅是舰船的主要振动和噪声源，而且也是桨叶及舵剥蚀的罪魁祸首。因此对梢涡及梢涡空化进行控制是很有必要的，为此我们首先得对空化、梢涡及梢涡空化的形成机理进行研究。因此本文以二维水翼、有限展长翼型及螺旋桨为研究对象，对云空化脱落机理，梢涡及梢涡空化的形成及其结构进行了数值模拟研究。 本文基于OpenFOAM数值模拟平台,首先对二维水翼的非定常云空化进行了数值模拟，通过与实验结果进行对比以代表云空泡脱落频率的Strouhal数验证了本文所用数值模拟方法对非定常空化流场的适用性。在此基础上对片空泡的发展及云空泡的形成过程进行了分析，并预报了片空化的分级断裂现象。 在梢涡的研究方面，本文首先对三维截断翼的梢涡流场进行了模拟，并使用多种特征量对梢涡流场的精细结构进行了描述。研究结果表明在RANS框架内基于非线性涡粘假定的非线性k-ε湍流模型相比于基于Boussinesq线性涡粘假定的标准k-ε模型，能更好的预报出梢涡的多涡结构及其发展与融合过程，并能很好的降低梢涡处的湍流粘性耗散。在此基础上，本文进一步对更为复杂的螺旋桨梢涡流场进行了模拟，研究结果表明非线性湍流模拟能给出螺旋桨完整的螺旋型梢涡结构，而线性湍流模拟则几乎未能预测出螺旋桨的螺旋型梢涡结构。并且线性湍流模拟也未能预测出螺旋桨梢涡向螺旋桨叶面的吸力侧翻卷的过程，而预测的梢涡的发展及形成过程还滞后于非线性湍流模拟给出的结果。 最后，本文对螺旋桨的梢涡空化流场进行了模拟。通过对比发现，非线性湍流模拟有助于准确的模拟梢涡空化，而线性湍流模拟虽然能较好的模拟出桨叶上的附着空泡但却未能预测出梢涡空泡。而通过与全湿流梢涡流场的对比分析，我们发现梢涡空化的存在使得涡结构更为复杂。空化流场中的梢涡强度明显低于全湿流场，即梢涡空化的存在在一定程度上抑制了梢涡的发展。并且通过对梢涡区的应力与应变分布，及湍流产生项进行对比分析，我们还发现线性湍流模拟未能预测出梢涡区的应力与应变之间的非线性关系。最后通过对湍动能的产生项进行分析，我们发现线性湍流模拟无法准确预报梢涡的根本原因是过度预测了梢涡区的湍流耗散率，而非线性湍流模拟则能很好的解决这一问题。 |
| 作者： | 刘志辉 |
| 专业： | 流体力学 |
| 导师： | 王本龙 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 上海交通大学 |
| 学位年度： | 2015 |
| 正文语种： | 中文 |
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