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基于LES方法的非定常云状空化数值模拟
| 论文题名： | 基于LES方法的非定常云状空化数值模拟 |
| 关键词： | 船舶水翼;云状空化;大涡模拟;空泡剥蚀 |
| 摘要： | 空化是发生在液体中的一种复杂的、特有的多相流现象。它往往发生在与液体存在高速的相对运动的物体表面，如船舶螺旋桨与舵、水利机械和水利工程中。云状空化是空化类型中最为典型的一种空化现象，其发生、发展、溃灭的整个演变过程具有非常明显的非定常特性。云状空化总是伴随着噪声、振动、空蚀和水动力性能降低等一系列问题，将会给船舶推进系统与水利系统带来程度各异的损害，因此对非定常云状空化现象的研究是空化流动研究领域的一大热点。深入研究云状空化的演变规律和其非稳态的水动力学特性，对船舶及水利工程中空化危害的避免和防治，亦或对空化负面影响的正应用同样具有重要的意义。本文针对NACA0015水翼，利用Fluent软件作为计算工具，采用大涡模拟(LES)数值方法针对绕水翼的云状空化现象展开研究，重点关注云状空化的典型非定常特征、升阻力系数及空泡云团的脱落频率，并对水翼表面可能发生剥蚀的高风险区域进行了预估。 本论文采用大涡模拟LES方法，首先对二维NACA0015水翼的无空化情况进行数值模拟，以升阻力系数为基准，进行了网格的无关性验证。接着模拟了存在空化情况下二维水翼的非定常云状空化现象。分析并探讨了不同的亚格子模型（SGS）、计算网格数目与柯朗数对计算结果的影响，例如：升阻力系数和云空泡脱落频率等。通过与实验结果和URANS结果的对比分析，最终确定了采用Smagorinsky-Lilly亚格子模型，中等网格数目G2，柯朗数Cr≈1.0。进行进一步的详细分析，着重探讨了LES方法预测非定常云状空化典型特征（空泡的脱落与再生、回射流的形成、回射流对空泡脱落的影响等），以及定量预报云空泡脱落频率的能力。 在二维模拟的基础上，进一步探讨LES方法对三维的NACA0015水翼云状空化演变过程及其非定常特性的预测能力，并剖析了水翼升阻力与云状空化非定常瞬态现象的内在关联，最终通过分析压力场预测了高空蚀风险区域。相较于URANS方法，LES方法模拟出的云状空化非定常演变过程，显示了更多的精细涡结构，其预报的升阻力系数脉动特性更为显著，空泡云团的泄出频率与实验值更为接近。可证明具有更高解析精度的湍流模型（e.g.LES）得到的流场信息对空泡诱导现象的定量预报具有重要价值，可为今后压力脉动分析、空泡剥蚀定量评估、空化噪声振动预报等提供相应的数值计算基础。然而，一些结构的位置与实验结果仍有一些差距。望今后的研究中，通过改进网格质量、选取合适参数来减少这些差异，为更加精确的定量预报做出铺垫。 |
| 作者： | 熊泽 |
| 专业： | 船舶与海洋工程 |
| 导师： | 陈克强 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 武汉理工大学 |
| 学位年度： | 2016 |
| 正文语种： | 中文 |
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