環(huán)形槽對通氣空泡融合的促進(jìn)作用分析1)

孫龍泉 顏 皓 馬貴輝 趙紀(jì)鵬

(哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院,哈爾濱 150001)

引言

航行體水下高速航行時(shí),流體流經(jīng)航行體曲率變化較大的肩部時(shí)流速發(fā)生變化,此位置出現(xiàn)低壓區(qū)并引起自然空化,形成覆蓋航行體表面的自然空泡[1].自然空泡由流體內(nèi)低壓形成,其初生,發(fā)展,脫落和潰滅等現(xiàn)象改變了航行體表面的載荷分布[2-5],不僅影響航行體的水中航行軌跡,還可能損毀出水航行體內(nèi)精密元件,并對航行體自身結(jié)構(gòu)造成破壞[6-10].Reichardt[11]最早提出主動(dòng)通氣技術(shù),通過空泡內(nèi)注入不可凝氣體提升泡內(nèi)壓力及其空間尺寸,該方法被廣泛證實(shí)可行[12-13].人工通氣的目標(biāo)是產(chǎn)生穩(wěn)定的空泡包裹航行體,以改善其表面的載荷分布,從而實(shí)現(xiàn)航行體的姿態(tài)調(diào)節(jié)[1,14-15].

自然空泡和通氣空泡涉及到復(fù)雜的多相流理論,相關(guān)學(xué)者對空泡的發(fā)展與融合進(jìn)行了較豐富的研究.王國玉等[16]將氣孔附近的旋渦結(jié)構(gòu)分類,通過孔板通氣實(shí)驗(yàn)研究了空泡的發(fā)展機(jī)制.王悅?cè)岬萚17]采用數(shù)值仿真研究了電場作用下氣泡上升過程中的演化規(guī)律以及載荷特性.陳瑋琪等[18]建立了垂直空泡泡長變化數(shù)學(xué)方程,導(dǎo)出了非定常空泡的泡長計(jì)算公式.張忠宇等[19]采用數(shù)值方法系統(tǒng)地研究了攻角,頭型和空化數(shù)等參數(shù)對空泡發(fā)展形態(tài)的影響.秦勇[20]采用流場插值的方法研究了波浪條件下均壓通氣空泡的演化規(guī)律.張耐民等[21-22]建立了基于空泡獨(dú)立膨脹原理的多孔等壓通氣空泡形態(tài)計(jì)算模型,研究了開孔數(shù)量和流場的無量綱參數(shù)對空泡融合的影響.張孝石等[23]通過高速攝像研究了通氣航行體的云狀空泡,分析了不同空化數(shù)下空泡的脈動(dòng)壓力特性.王聰?shù)萚24]實(shí)驗(yàn)研究了受水流影響的噴射氣流的發(fā)展形態(tài),得出不同水流流速下噴射氣流的剪切渦的流動(dòng)變化規(guī)律以及空泡壓力脈動(dòng)特征.胡少峰[25]和龔瑞巖[26]采用縮尺實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法,研究了不同弗勞德數(shù)和不同通氣率下雙層孔排氣和孔縫聯(lián)合排氣的通氣空泡形態(tài)特征及其發(fā)展過程.馬貴輝等[27-28]利用Fluent 研究了空腔等壓排氣的空泡發(fā)展機(jī)制,并研究了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下等壓空泡的融合機(jī)理.

當(dāng)前工程上的均壓排氣主要采用多孔排氣技術(shù),傳統(tǒng)的單層多孔排氣技術(shù)存在通氣空泡融合效果不明顯,融合速度緩慢,空泡形態(tài)不穩(wěn)定易脫落,對通氣參數(shù)要求苛刻等缺點(diǎn)[25-26],因此,改善非定?？张莸闹芟蛉诤闲Ч?維持通氣空泡穩(wěn)定的形態(tài)變得十分重要.常用的改善通氣效果的方式有雙層孔通氣和孔縫聯(lián)合排氣,龔瑞巖[26]與胡少峰[25]的縮尺實(shí)驗(yàn)研究表明,雙層孔通氣實(shí)現(xiàn)了空泡的周向融合,但空泡表面呈現(xiàn)不光滑的綹狀形態(tài);孔縫聯(lián)合排氣改善了融合效果,但是通氣裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜,對通氣參數(shù)要求比較苛刻,并且受下方出氣孔的氣流沖擊影響,通氣空泡發(fā)展過程容易斷裂脫落.崔震宇[29]研究了環(huán)形槽內(nèi)部開孔的通氣空泡,結(jié)果表明環(huán)槽結(jié)構(gòu)有利于消除孔前滯止高壓和孔間分流而導(dǎo)致的通氣空泡初生辮狀結(jié)構(gòu)形態(tài),促進(jìn)通氣空泡融合,但是槽內(nèi)開孔通氣又會(huì)造成航行體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的減弱,槽內(nèi)融合氣體的能量耗散又會(huì)導(dǎo)致流出環(huán)槽的空泡被來流沖擊割斷.考慮到貼壁發(fā)展的非定?？张輧?nèi)部存在受來流影響較大的旋渦,本文嘗試在通氣孔下游設(shè)置一個(gè)小尺度周向凹槽,在不增加結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、不破壞結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下,達(dá)到改善空泡周向融合的效果,并探究其針對不同工況的適應(yīng)性.研究方法基于有限體積法,利用VOF (volume of fluid)模型和動(dòng)態(tài)鋪層的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對航行體出水排氣過程進(jìn)行數(shù)值仿真,通過對比有槽和無槽航行體在不同工況下的空泡發(fā)展形態(tài),探究凹槽對空泡周向融合的影響,利用非定?？张莸男螒B(tài)發(fā)展和力學(xué)特性揭示環(huán)形凹槽促進(jìn)空泡融合的作用機(jī)制.

1 計(jì)算域設(shè)置以及網(wǎng)格劃分

如圖1(a)所示,數(shù)值仿真模型采用半圓球頭回轉(zhuǎn)體.航行體沿其長度,即全局坐標(biāo)系的z軸正方向行進(jìn).航行體直徑D=40 mm,總長L=4.5D,孔槽聯(lián)合方案中航行體周向均勻設(shè)置三十個(gè)通氣孔,孔直徑為0.01D,槽寬d1=0.125D,孔槽距d2=0.075D,運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系的零點(diǎn)設(shè)置為航行體底部中心位置,X為航行體上點(diǎn)到航行體尾部垂向距離.如圖1(b)所示,計(jì)算域沿徑向劃分為動(dòng)域和靜止域兩部分,兩者分界面設(shè)置成“interface”滑移界面進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,根據(jù)氣泡非定常發(fā)展最大尺寸在航行體周圍劃出一個(gè)包裹域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理以捕捉精細(xì)化流場.計(jì)算域外邊界所有表面設(shè)置成壓力出口邊界條件,通過UDF 確定邊界位置壓力分布及相體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律.靜域、動(dòng)域以及包裹域的直徑分別為8D,3D和2D,計(jì)算初始時(shí)刻航行體運(yùn)動(dòng)前頭距水面3L,氣孔設(shè)置成質(zhì)量入口邊界條件,航行體表面設(shè)置成壁面邊界條件.

圖1 幾何及邊界條件設(shè)置Fig.1 Geometry and boundary condition settings

流場選用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分,邊界層設(shè)置10層,增長率為1.2.動(dòng)域的上下邊界設(shè)置為動(dòng)網(wǎng)格層變區(qū)域,通過UDF(user-defined function)控制航行體運(yùn)動(dòng).圖2 給出了不同網(wǎng)格數(shù)量下航行體頭部壓力的變化情況,對比發(fā)現(xiàn)當(dāng)網(wǎng)格總量達(dá)到200 萬時(shí)頭部壓力系數(shù)趨于恒定,故本文的仿真網(wǎng)格選取200 萬的劃分策略.

圖2 不同網(wǎng)格數(shù)量下航行體頭部壓力Fig.2 Pressure of the vehicle head with different grid numbers

2 數(shù)值方法以及有效性驗(yàn)證

本文的數(shù)值仿真采用基于有限體積法求解N-S方程的方式進(jìn)行,多相流模型采用隱式VOF,水平集法,設(shè)置氣相為主相,水相為副相(定義α 表示相體積分?jǐn)?shù),α=1 表示純氣相,α=0 表示純水相),湍流模型選用RNGk-ε 模型[22],壓力速度耦合方法選用PISO 算法,時(shí)間離散格式選擇二階.為方便敘述,定義“YC”表示有槽航行體,“WC”表示無槽航行體.部分文中無量綱參數(shù)包括通氣率Qi,弗勞德數(shù)Fr,無量綱時(shí)間,無量綱壓力定義如下

其中,Qiv表示通氣量,U表示航行體速度,p表示壁面監(jiān)測點(diǎn)壓力.

為驗(yàn)證數(shù)值方法的有效性,針對無槽航行體出水排氣過程進(jìn)行數(shù)值仿真和縮尺實(shí)驗(yàn),其中縮尺實(shí)驗(yàn)在哈爾濱工程大學(xué)小尺度減壓實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)工況為Fr=4.79,Qi=0.025.圖3 給出了實(shí)驗(yàn)與仿真得到的氣泡無量綱長度l/L(氣孔到泡尾部閉合區(qū)距離為泡長l,航行體長度為L)的時(shí)變曲線,對比發(fā)現(xiàn)二者吻合程度良好,表明本文選用的數(shù)值方法可以較好地模擬航行體出水非定常排氣過程.

圖3 實(shí)驗(yàn)與仿真空泡無量綱長度曲線Fig.3 Experiment and simulation cavity length

3 環(huán)形槽作用機(jī)理及結(jié)果分析

3.1 環(huán)形槽促進(jìn)空泡融合的作用機(jī)制

為了研究環(huán)形槽對氣泡周向融合的影響,本文對單排孔方案有槽、無槽航行體出水排氣的結(jié)果進(jìn)行對比研究.圖4 給出了Fr=7.94,Qi=0.020 條件下各特征時(shí)刻空泡形態(tài),根據(jù)氣泡發(fā)展特點(diǎn),可以將通氣空泡的融合過程分為以下三個(gè)階段:

(1)通氣空泡以未融合的辮狀形態(tài)沿壁面軸向推進(jìn)的空泡初生階段(如圖4(a)中=1.25～4.375);

(2)通氣空泡軸向發(fā)展受阻,以周向融合為主的空泡周向發(fā)展階段(如圖4(a)中=4.375～6.25);

(3)通氣空泡周向融合后以融合空泡的形態(tài)軸向發(fā)展的融合增長階段(如圖4(a)中=6.25～22.5).

圖4 Fr=7.94,Qi=0.020 三維泡型Fig.4 3D cavity shape at Fr=7.94,Qi=0.020

圖5 =2.5 時(shí)刻航行體表面初生空泡Fig.5 Primary cavity on the vehicle surface at=2.5

通氣空泡經(jīng)過初生發(fā)展階段后進(jìn)入周向融合發(fā)展階段.圖6 給出了兩個(gè)特征時(shí)刻有槽、無槽航行體表面壓力沿軸向分布,對比發(fā)現(xiàn),有槽航行體空泡泡內(nèi)壓力梯度比無槽航行體的泡內(nèi)壓力梯度更大,更大的泡內(nèi)壓力梯度導(dǎo)致有槽航行體的通氣空泡軸向推進(jìn)受到的阻滯作用更強(qiáng),更有利于空泡周向發(fā)展融合.無槽航行體泡尾內(nèi)外壓差更大,通氣空泡內(nèi)部壓力梯度更小,從而使得均壓氣體向航行體尾部方向較快速推進(jìn),在剪切層渦渦對和泡尾逆向射流的作用下匯聚于泡尾局部區(qū)域.圖7 給出了有、無槽方案=6.25 時(shí)刻航行體表面三維泡型、相體積分?jǐn)?shù)以及壓力的分布情況,對比發(fā)現(xiàn),開槽航行體相鄰辮狀空泡流過凹槽后周向尺度更大,隨著持續(xù)通氣,空泡融合上邊界上移.無槽航行體泡尾較大的內(nèi)外壓差導(dǎo)致逆向射流較大,更大的泡內(nèi)逆向射流攜帶更多的水射入泡內(nèi),導(dǎo)致無槽航行體泡內(nèi)水含量較開槽航行體更大.由圖7(c)發(fā)現(xiàn),水流流經(jīng)環(huán)形凹槽下緣處時(shí)發(fā)生流動(dòng)分離,在槽下緣附近產(chǎn)生局部低壓效應(yīng).由于=6.25 時(shí)凹槽已經(jīng)被氣體灌滿,凹槽附近辮狀空泡內(nèi)仍然存在的卷吸作用不斷攜帶氣體灌入凹槽,在凹槽下緣低壓區(qū)的誘導(dǎo)下,多余的氣體會(huì)在圖7(a)虛線框所示的槽下緣與辮狀空泡流交界壓力梯度較高的位置溢出下泄,增大未融合辮狀空泡流的周向尺寸,進(jìn)而促使相鄰兩辮狀空泡流完全融合.

圖6 對稱面無量綱壓力沿軸向分布Fig.6 Axial distribution of dimensionless pressure

圖7 =6.25 時(shí)刻航行體表面流場Fig.7 Flow field of the vehicle surface at=6.25

空泡經(jīng)過充分周向融合后開始進(jìn)入以大空泡的形態(tài)軸向發(fā)展的融合增長階段.圖8 表征了該階段空泡軸向壓力分布,參照前文圖4 的特征時(shí)刻空泡形態(tài),無槽航行體融合空泡的融合上邊界遇上游來流沖擊,難以繼續(xù)向上發(fā)展,因此通氣空泡前部區(qū)域仍呈現(xiàn)辮狀形態(tài),并且兩相鄰辮狀空泡間融合上邊界位置基本穩(wěn)定.凹槽內(nèi)氣體溢出下泄,開槽航行體空泡融合上邊界與槽內(nèi)氣體融合形成融合上邊界為槽上緣的融合空泡.持續(xù)注入泡內(nèi)的氣體將獲得的動(dòng)能傳遞給融合的大空泡,空泡克服泡尾閉合高壓和壁面沖擊射流阻礙沿著航行體軸向增長.此階段內(nèi)空泡形態(tài)基本穩(wěn)定,空泡主要表現(xiàn)為沿軸向拉長.圖9 給出了=22.5 時(shí)刻有槽航行體的外表面空泡形態(tài)以及壓力分布,參照圖8 的空泡沿軸向壓力分布,空泡按壓力分布可以分為圖9 中的幾個(gè)區(qū)域:(1)孔前氣流受來流擠壓形成的孔前滯止高壓區(qū);(2)來流在孔后流動(dòng)分離造成的過膨脹低壓區(qū);(3)空泡周向融合充分后,壓力趨于穩(wěn)定形成的近似低壓區(qū);(4)空泡泡尾閉合于壁面形成的閉合高壓區(qū).槽的卷吸和槽上緣低壓效應(yīng)作用使得排氣孔后凹槽前辮狀空泡內(nèi)氣體向下游發(fā)展時(shí)有一定的加速作用,所以開槽航行體過膨脹低壓壓力峰值較無槽航行體更小.圖10 給出了=22.5 時(shí)刻兩種航行體對稱面內(nèi)的氣相體積分?jǐn)?shù)分布,無槽航行體=22.5 時(shí)泡內(nèi)射流攜帶的水影響范圍距離孔較近,且此區(qū)域空泡形態(tài)為辮狀,所以無槽航行體泡內(nèi)氣體剛流過過膨脹低壓區(qū)后即與逆向射流上邊界相遇,速度方向相反的逆向射流和來流氣體擠壓碰撞形成圖8 虛線框中逆向射流上邊界的滯止高壓.開槽航行體逆向射流軸向影響范圍更小,射流上邊界位于槽后,此位置通氣空泡已經(jīng)周向融合,所以未形成像無槽航行體那樣的泡內(nèi)逆向射流前端滯止高壓,從對稱面氣相體積分布看,融合空泡增長階段開槽航行體通氣空泡泡厚更小,無槽航行體泡厚更大.

圖8 =22.5 對稱面無量綱壓力沿軸向分布Fig.8 Axial distribution of dimensionless pressure at=22.5

圖9 =22.5 有槽航行體空泡外表面形態(tài)Fig.9 Out surface shape of the YC vehicle cavity at =22.5

圖10 =22.5 對稱面氣相體積分?jǐn)?shù)分布Fig.10 Air volume fraction in symmetry plane at=22.5

3.2 不同工況下環(huán)形槽對空泡融合的作用

通氣率和弗勞德數(shù)是影響垂直出水航行體空泡形態(tài)及發(fā)展過程的重要因素,本文首先控制弗勞德數(shù)Fr=7.94 不變,改變通氣率Qi為0.015,0.020,0.025,再控制通氣率Qi=0.020 不變,改變弗勞德數(shù)Fr為4.76,6.35,7.94,分別針對有槽和無槽的航行體出水過程進(jìn)行了仿真,圖11 和圖12 給出了=22.5 不同方案下空泡充分發(fā)展時(shí)刻的流場結(jié)果.

對比圖11(a)所示的有、無槽情況下的空泡形態(tài)可以看出,通氣率Qi較小時(shí),無槽航行體的通氣空泡以周向分離的辮狀形態(tài)沿軸向發(fā)展,空泡融合效果較差,未被氣膜覆蓋的航行體表面將暴露在水中承受流體動(dòng)力沖擊.隨著通氣率的增大,空泡的融合效果有一定改善,Qi=0.025 時(shí),已經(jīng)出現(xiàn)了包裹住無槽航行體的大片融合空泡,然而空泡融合的周向均勻性較差,從圖11(b)的氣相體積分?jǐn)?shù)分布可以看出,隨著通氣率的增大,空泡貼壁內(nèi)側(cè)出現(xiàn)了大片水相,空泡變得不穩(wěn)定并存在脫落的風(fēng)險(xiǎn).相較于無槽航行體,有槽航行體在不同通氣率下空泡外表面更加光滑,氣泡周向融合位置更靠近頭部且周向分布均勻,上下融合邊界更為整齊.參考圖11(b)還可以發(fā)現(xiàn),有槽航行體在相同通氣率情況下形成的空泡對航行體表面的貼附效果較好,泡內(nèi)含水量更少,這在一定程度上確保了空泡對模型表面的保護(hù)作用.當(dāng)通氣率升高時(shí),空泡軸向、徑向尺寸明顯增大,相較無槽航行體情況空泡周向均勻性及穩(wěn)定性明顯改善.

圖11 =22.5 時(shí)刻不同Qi 下有槽、無槽情況的空泡對比Fig.11 Cavity comparison between YC and WC cases at different Qi at =22.5

圖12 =22.5 時(shí)刻不同F(xiàn)r 下有槽、無槽情況的空泡對比Fig.12 Cavity comparison between YC and WC cases at different Fr at =22.5

帶排氣航行體垂直運(yùn)動(dòng)過程中弗勞德數(shù)的變化體現(xiàn)了航行體運(yùn)動(dòng)速度對氣泡發(fā)展的影響.在Qi控制為0.020 的情況下,本文開展了Fr=4.76,6.35,7.94 工況下的航行體出水排氣仿真.對比圖12(a)和圖12(b)給出的氣泡形態(tài)及氣相體積分?jǐn)?shù)分布可以看出,在不同F(xiàn)r數(shù)下,有槽航行體的空泡厚度更薄,表面更光滑,含氣量更多,通氣空泡的貼壁效果依舊優(yōu)于無槽航行體.通過圖12(a)和圖12(b)還可以發(fā)現(xiàn),隨著Fr數(shù)的增大,在高速來流的沖擊下,兩種航行體的表面空泡也隨之變薄,無槽航行體的氣泡融合位置的上邊界不斷后移,而有槽航行體由于槽內(nèi)空泡和槽外周向融合空泡實(shí)現(xiàn)融合,其上邊界始終維持在凹槽上邊緣.

4 結(jié)論

本文基于有限體積法數(shù)值研究了排氣孔下游增加小尺度環(huán)形凹槽促進(jìn)出水航行體通氣空泡融合的問題,得到以下結(jié)論:

(1)環(huán)形槽改變了航行體表面的流場分布,其誘導(dǎo)產(chǎn)生的旋渦將通氣空泡卷吸進(jìn)槽內(nèi),槽內(nèi)空泡擠壓破裂實(shí)現(xiàn)周向融合.在空泡融合階段,空泡從低壓處溢出下泄擴(kuò)大了辮狀空泡周向尺寸,并且促進(jìn)融合上邊界上移.

(2)凹槽卷吸作用造成空泡動(dòng)能損耗和抗剪切能力減弱,來流邊界層剪切壁面空泡,形成周向尺寸更大的剪切層渦并沿周向擴(kuò)張,促進(jìn)周向融合,動(dòng)能的損耗以及較高含氣量使空泡形態(tài)更加穩(wěn)定.

(3)有槽航行體融合增長的空泡因?yàn)樵诎疾厶幰呀?jīng)充分融合,所以其泡內(nèi)含水相逆向射流的軸向影響范圍小于無槽航行體.

(4)環(huán)形凹槽對通氣空泡的發(fā)展融合具有明顯改善作用.有槽航行體形成的空泡融合覆蓋面更廣,泡厚更薄,空泡表面更光滑,融合邊界更加整齊,空泡含氣量更大,空泡更加穩(wěn)定而不易脫落.在不同的工況下,有槽航行體均表現(xiàn)出較好的融合性能.