空化是流體機(jī)械中常見(jiàn)的一種現(xiàn)象,其不但會(huì)引發(fā)系統(tǒng)振動(dòng)、噪聲并影響系統(tǒng)做功能力,還會(huì)導(dǎo)致空蝕破壞。流體機(jī)械中空化具有多種形式,其中云空化是一種非常不穩(wěn)定、極具破壞力的空化形式,云空化的生成與脫落具有明顯的周期性,它潰滅輻射出的沖擊能量是流體機(jī)械葉片空蝕破壞的關(guān)鍵原因。因此云空化的控制在流體機(jī)械的設(shè)計(jì)與實(shí)際運(yùn)行中一直是備受關(guān)注的重點(diǎn)。本課題面向云空化的被動(dòng)控制,將座頭鯨鰭肢前緣凸結(jié)結(jié)構(gòu)引入水翼設(shè)計(jì),研究前緣仿生凸結(jié)對(duì)水翼云空化的控制原理。以標(biāo)準(zhǔn)水翼為原型建立了前緣帶有仿生凸結(jié)的系列水翼模型,基于非定常數(shù)值模擬方法,研究了典型的云空化工況下原型水翼與仿生水翼的云空化特性,重點(diǎn)分析了前緣凸結(jié)作用下水翼壓力脈動(dòng)、升阻力與汽含率等參數(shù)的變化規(guī)律,明確了前緣凸結(jié)對(duì)水翼云空化的控制效果,再進(jìn)一步研究了凸結(jié)波幅、波長(zhǎng)等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)空化控制效果的影響。主要研究?jī)?nèi)容與結(jié)論如下:（1）目前前緣仿生凸結(jié)研究在空氣動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域得到了較多關(guān)注,并且多數(shù)以NACA63（4）-021翼型為原型,因而其參考數(shù)據(jù)最為豐富。所以本文以NACA 63（4）-021為原型,進(jìn)行了仿生水翼的構(gòu)型設(shè)計(jì)和定常單相數(shù)值模擬。單相模擬結(jié)果... 

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仿生水翼的幾何特征：(a)前緣凸結(jié)波形，(b)三維視圖，(c)截面特征

10圖2-1仿生水翼的幾何特征：(a)前緣凸結(jié)波形，(b)三維視圖，(c)截面特征將獲得的點(diǎn)導(dǎo)入到“NXUG10.0”后，使用“藝術(shù)樣條”命令，通過(guò)“三次樣條插值”使這些點(diǎn)形成不同展向位置上的翼型截面。再通過(guò)“掃掠”命令，以各條曲線為截面組合起來(lái)形成水翼，定位時(shí)應(yīng)選擇兩條引導(dǎo)線，即前緣處的正弦曲線和后緣處的直線。建模過(guò)程如圖2-2所示。圖2-2仿生水翼建模過(guò)程2.3數(shù)值計(jì)算方法計(jì)算流體力學(xué)CFD隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展而逐漸成熟，使得基于N-S方程的數(shù)值計(jì)算方法得以高效高精度地實(shí)現(xiàn)，成為了流體相關(guān)問(wèn)題的主要研究方法之一。CFD通過(guò)計(jì)算機(jī)在時(shí)間和空間上定量描述流場(chǎng)的數(shù)值解并模擬真實(shí)流動(dòng)的圖像，從而彌補(bǔ)理論和實(shí)驗(yàn)的缺陷，極具經(jīng)濟(jì)性和生命力。目前CFD軟件較多，如ANSYSFluent、CFX、OpenFoam、STAR-CCM等，這些軟件各有優(yōu)缺點(diǎn)。其中ANSYSFluent提供了豐富精確的物理模型、可靠的數(shù)值計(jì)算方法和較快的數(shù)據(jù)處理能力等，因此本章數(shù)值模擬主要采用ANSYSFluent。2.3.1計(jì)算模型

浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第2章仿生水翼構(gòu)型設(shè)計(jì)與性能驗(yàn)證11水翼計(jì)算域及邊界條件設(shè)置如圖2-3所示，以原型水翼前緣點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，并采取以坐標(biāo)原點(diǎn)為圓心且半徑為12c（1224mm）的半圓形速度入口[52,59,60]，上下壁面也均采用速度入口，使得該網(wǎng)格適應(yīng)性更強(qiáng)，可通過(guò)改變速度分量來(lái)調(diào)節(jié)來(lái)流攻角。出口采用壓力出口，距離坐標(biāo)原點(diǎn)20c（2040mm），使尾流得以充分發(fā)展。展向?qū)挾葹?c（306mm），兩壁面采用對(duì)稱邊界，保證水翼流動(dòng)不受壁面和稍渦的影響。水翼壁面邊界為無(wú)滑移壁面。利用ICEM軟件對(duì)水翼計(jì)算域模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格采用C型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以更好地匹配水翼和流域形狀，并且由于需要特別關(guān)注翼型表面和尾流區(qū)域流動(dòng)形態(tài)的變化，因此在水翼前后緣處和近水翼壁面區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格加密。圖2-3(a)NACA63(4)-021水翼計(jì)算域及邊界條件，(b)水翼附近網(wǎng)格2.3.2參數(shù)設(shè)置自然界中幾乎所有的流動(dòng)都是非定常（瞬態(tài)）的，往往是做了一些簡(jiǎn)化后才將其近似為定常（穩(wěn)態(tài)），如忽略瞬態(tài)的脈動(dòng)，或是通過(guò)整體的時(shí)均處理來(lái)消除瞬態(tài)的影響等。在CFD中使用定常計(jì)算的好處是它需要的計(jì)算資源更少，更容易進(jìn)行后處理分析。但許多應(yīng)用必須要求使用非定常計(jì)算求解，如空氣動(dòng)力學(xué)中的渦脫落、旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的喘振、多相流中的氣泡動(dòng)力學(xué)等。非定常問(wèn)題通常是通過(guò)求解很多離散時(shí)間點(diǎn)上的定常結(jié)果來(lái)實(shí)現(xiàn)的。后續(xù)計(jì)算中發(fā)現(xiàn)，單相流場(chǎng)模擬和空化流場(chǎng)模擬的定常計(jì)算收斂性均較好，可得到穩(wěn)定的數(shù)值模擬結(jié)果，且與非定常計(jì)算收斂的結(jié)果十分相近。因此，為了初步探索凸結(jié)對(duì)水翼空化控制的效果，并與已有文獻(xiàn)中的空化數(shù)據(jù)（定常結(jié)果）進(jìn)行比對(duì)，且有效利用有限的計(jì)算資源，本章數(shù)值模擬工作主要采用定常模擬。由Johari的實(shí)驗(yàn)報(bào)告[58]可知，實(shí)驗(yàn)所得的NACA63(4)-021升力曲?

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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博士論文
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碩士論文
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本文編號(hào)：3299978