【摘要】：空化現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生在水泵、水輪機(jī)、螺旋槳等水力機(jī)械葉片的表面,往往會引起葉片的振動和噪聲,并影響水力機(jī)械的效率。目前,將基于水力機(jī)械葉片特征的翼型作為研究對象而開展空化現(xiàn)象的研究,是水力機(jī)械以及空化研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。為了深入探究繞水翼空化流動的非定常特性,作者基于兩種三維扭曲水翼開展了非定�？栈鲃訖C(jī)理的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值研究。主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下:設(shè)計(jì)加工具有不同剖面的兩種三維扭曲水翼NACA0009和Clark-y,開展了繞這兩種水翼的空化流動特性的實(shí)驗(yàn)研究。采用高速全流場顯示技術(shù)研究了繞不同三維扭曲水翼在片狀及云狀空化階段的空穴形態(tài)特征及其隨時(shí)間的演變規(guī)律。研究結(jié)果表明:繞不同水翼的片狀空化均表現(xiàn)為穩(wěn)定性較好地附著型空穴,其尾部拓?fù)涑释剐徒Y(jié)構(gòu)。云狀空化形態(tài)隨著時(shí)間的推移呈現(xiàn)出周期性的演變過程,包括附著空穴的發(fā)展、側(cè)向射流及回射流的推進(jìn)、以及空泡團(tuán)的脫落潰滅。相比于NACA0009水翼,繞Clark-y水翼空穴的附著位置更靠近下游。采用PIV(Particle Image Velocimetry)流場測量技術(shù)獲得了兩種扭曲水翼中間截面處的瞬時(shí)空化粒子圖像以及空化流場結(jié)構(gòu)圖,分析了空穴形態(tài)與旋渦結(jié)構(gòu)及速度分布的對應(yīng)關(guān)系。研究結(jié)果表明:空化區(qū)域?yàn)榈退賲^(qū),脫落空泡團(tuán)對應(yīng)于大尺度的旋渦結(jié)構(gòu)。相比于NACA0009水翼前緣附著性較好的空穴,繞Clark-y水翼前緣的空化形態(tài)呈游離狀,從而導(dǎo)致Clark-y水翼的低速區(qū)域更靠近下游位置�；趯�(shí)驗(yàn)結(jié)果,評價(jià)了 LES和PANS兩種湍流模型在繞三維扭曲水翼空化流動數(shù)值計(jì)算中的應(yīng)用情況,發(fā)現(xiàn)相比于PANS(fk=0.2)模型,LES模型能更好地展現(xiàn)繞三維扭曲水翼的非定�？栈鲃有螒B(tài)隨時(shí)間的演變細(xì)節(jié),可以捕捉到尺度更加豐富的旋渦結(jié)構(gòu),最終確定了 一套基于均相流模型并耦合Zwart空化模型和LES湍流模型的數(shù)值計(jì)算方法。綜合實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算方法深入研究了繞不同三維扭曲水翼的空化流動的非定常特性。探究了空化形態(tài)演變過程中的三維效應(yīng),揭示了 U型空泡團(tuán)形成以及空穴形態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化與反向射流輻射狀推進(jìn)方式的關(guān)系,分析了繞三維扭曲水翼的非定�？栈螒B(tài)演變特點(diǎn)對流場旋渦結(jié)構(gòu)及水翼升力特性的重要影響,獲得了附著空穴層與反向射流的相對厚度對非定常空泡脫落特性的影響規(guī)律,并發(fā)現(xiàn)空穴的附著位置受翼型幾何曲率的影響較大。
【圖文】：

從熱力學(xué)角度來說，，空化與沸騰的物理本質(zhì)是完全相同的，都是從液相轉(zhuǎn)化為氣相逡逑的臨界平衡狀態(tài)，但是它們產(chǎn)生的驅(qū)動因素又有所不同，空化的驅(qū)動力是壓力變化，而逡逑沸騰的驅(qū)動力是溫度變化，如圖１．２所示。水的相變熱動力學(xué)特性可以直觀地解釋空化逡逑與沸騰之間的區(qū)別。逡逑２逡逑

０邐Ｔ逡逑圖１．２水的相變過程示意閣逡逑從物理要素角度來說，空化核、低壓以及低壓作用時(shí)間是空化產(chǎn)生的三要素ＩＵ，如逡逑圖１．３所示。實(shí)驗(yàn)表明純凈的液體能承受很大的張力，液體中沒有空化核是不能產(chǎn)生空逡逑化現(xiàn)象的。即使有了空化核子，也只有在低于液體飽和蒸汽壓的作用下，并且作用時(shí)間逡逑足夠長才有產(chǎn)生空化的機(jī)會，三者缺一不可。在空化產(chǎn)生的三要素中：“空化核”是空化逡逑產(chǎn)生的介質(zhì)耍素，山介質(zhì)及介質(zhì)的流動狀態(tài)決定，是空化產(chǎn)生的內(nèi)因及先決條件，其數(shù)逡逑量及大小決定空化的難易程度；“低壓”是空化產(chǎn)生的水動力學(xué)要素，是由繞流物體及其逡逑流動狀態(tài)決定，與介質(zhì)無關(guān)：“低壓作用時(shí)間”是空化產(chǎn)生的泡動力學(xué)因素，由介質(zhì)、物逡逑體、流動三者共同決定
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TK72

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2592865