【摘 要】
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空化普遍存在于水力机械的叶片等部件表面,发生在局部压力发生变化并下降至低于液体饱和蒸汽压的区域。空化的发生与溃灭会导致流体机械部件表面产生空蚀破坏等损失,还会对水力机械的安全平稳运行造成影响。翼型是水力机械叶片的重要组成元素,因此对翼型的空化进行相关研究具有重要意义。本文以平板翼型作为研究对象,通过数值模拟与实际试验相结合的方式,对其水动力及空化特性进行深入研究。试验在扬州大学江苏省水利动力工程重
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空化普遍存在于水力机械的叶片等部件表面,发生在局部压力发生变化并下降至低于液体饱和蒸汽压的区域。空化的发生与溃灭会导致流体机械部件表面产生空蚀破坏等损失,还会对水力机械的安全平稳运行造成影响。翼型是水力机械叶片的重要组成元素,因此对翼型的空化进行相关研究具有重要意义。本文以平板翼型作为研究对象,通过数值模拟与实际试验相结合的方式,对其水动力及空化特性进行深入研究。试验在扬州大学江苏省水利动力工程重点实验室水洞试验台完成,对平板翼型在不同攻角、不同压力值下的空化特性试验数据采集,采集方式主要通过高速摄影方法来观测记录空化影像,对空化长度的变化,云空化的脱落发展及周期演变进行分析,并总结归纳出该翼型的空化图谱;数值模拟方面采用ANSYS ICEM软件进行三维结构化网格划分,采用ANSYS CFX软件,基于RNG k-Epsilon的FBM湍流模型及Zwart-Gerber-Belamri空化模型进行翼型三维瞬态空化流场的数值模拟。研究的主要内容及成果如下:（1）对平板翼型在不同工况下的最大空化长度进行分析,得出最大空化长度lmax/c和空化数与攻角之比σ/2α符合近似反比例函数的关系,其中当σ/2α在4到10的区间时与最大空化长度lmax/c近似符合一次函数的关系。不同角度的分布大致重合在一条趋势线上。（2）对不同工况下翼型空化的形态及动态演变特性进行分析研究,归纳总结出平板翼型的空化图谱。阐明不同攻角及空化数下翼型空化形态及空化长度的分布规律。发现空化长度越长,空化形态越不稳定,在最大空化长度lmax/c小于1/3的情况下,空化形态较易保持稳定为片状空化状态,当空化长度发展到超过翼型弦长的1/3时,空化形态就会变得不稳定,易发生周期性的较大尺度的云空化脱落;根据典型工况下空化动态演变特性分析发现空化数越低,其最大空化长度越长,同时空化发展的周期频率越低。（3）对翼型空化流场进行数值模拟仿真计算,并将数值模拟的到的翼型空化形态与周期特征与试验相验证从而证明了基于RNG k-Epsilon的FBM湍流模型及ZGB空化模型进行翼型三维瞬态空化流场数值模拟的可靠性。（4）对平板翼型云空化典型工况下下的压力分布特性、流场速度矢量特性及熵产特性进行非定常分析,发现云空化的脱落导致翼型表面低压区后移并消失,由逆压梯度引发的回射流则使得翼型表面片空化覆盖的低压区出现局部高压,并向上游延伸。片空化与主流的交接面熵产率较高,片空泡内部熵产率较低;云空化脱落前回射流运动引发片空泡内部流动损失加剧并导致空泡尾部局部熵产增加。（5）对云空化典型工况下流场进行漩涡识别,捕捉到云空化通过过程中存在的U型涡现象,同时将两种常用的涡识别准则进行优劣比较,结果表示Ω准则的优势在于消除了翼型壁面剪切污染带来的错误影响,Q准则的优势优点是对于涡形态的模拟复现较为连贯,能够较好的展现出U型涡的结构演变特征。
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