空化是流体机械中常见的一种现象,其不但会引发系统振动、噪声并影响系统做功能力,还会导致空蚀破坏。流体机械中空化具有多种形式,其中云空化是一种非常不稳定、极具破坏力的空化形式,云空化的生成与脱落具有明显的周期性,它溃灭辐射出的冲击能量是流体机械叶片空蚀破坏的关键原因。因此云空化的控制在流体机械的设计与实际运行中一直是备受关注的重点。本课题面向云空化的被动控制,将座头鲸鳍肢前缘凸结结构引入水翼设计,研究前缘仿生凸结对水翼云空化的控制原理。以标准水翼为原型建立了前缘带有仿生凸结的系列水翼模型,基于非定常数值模拟方法,研究了典型的云空化工况下原型水翼与仿生水翼的云空化特性,重点分析了前缘凸结作用下水翼压力脉动、升阻力与汽含率等参数的变化规律,明确了前缘凸结对水翼云空化的控制效果,再进一步研究了凸结波幅、波长等关键结构参数对空化控制效果的影响。主要研究内容与结论如下:(1)目前前缘仿生凸结研究在空气动力学领域得到了较多关注,并且多数以NACA63(4)-021翼型为原型,因而其参考数据最为丰富。所以本文以NACA 63(4)-021为原型,进行了仿生水翼的构型设计和定常单相数值模拟。单相模拟结果与文献数据吻合度较高,初步验证了仿生水翼的构型方法,研究了仿生水翼表面涡系结构的关键特性。面向前缘凸结在轴流泵叶片上的应用,在小攻角高流速的实际工况下进行了定常空化模拟,结果表明前缘凸结可诱发系列对旋涡,抑制了空化沿展向和弦向的发展,使得仿生水翼上的空化范围明显小于原型水翼,初步证实了前缘凸结对水翼流动结构和空化形态的控制作用。(2)在空化研究领域,NACA 0015水翼是经典研究对象,且课题前期已针对该水翼开展了大量空化试验,掌握了关键的参考数据。本文以NACA 0015为主要对象,基于NACA63(4)-021仿生水翼数值模拟中所验证的构型方法,建立了系列仿生水翼模型。并且,以NACA 0015水翼云空化实验结果为参考,面向云空化的不稳定脱落特性,对SST k-ω湍流模型进行湍流粘度修正,重点开展了3个典型云空化工况下NACA 0015水翼的非定常数值模拟,基于空化形态和表面压力脉动等关键数据,验证了本文所采用的非定常数值模拟方法。(3)借助已验证的空化数值模拟方法,进行了多工况下系列仿生水翼的云空化数值模拟计算。通过对比分析原型水翼和仿生水翼的汽含率、压力脉动与升阻力脉动等关键数据,验证了前缘凸结对水翼云空化的控制作用;发现前缘凸结诱发的对旋涡系有效增大了边界层能量,并对空泡的展向发展起到关键的限制作用,空泡尾部的振荡与脱落规模被大幅降低。(4)研究进一步分析了凸结的波幅A和波长λ这两个关键结构参数对仿生水翼云空化控制效果的影响,结果表明两者对仿生水翼云空化控制都起到了一定的作用,初步认为波幅A的作用更为显著。本课题初步探索了前缘凸结对于流体机械叶片云空化的控制作用,相关成果可为水力机械抗空化设计提供一定的思路与数据参考。