高寬比對空腔流動水動力學的影響

任萬龍，趙志范，婁珊珊，高原，郝宗睿

(齊魯工業(yè)大學(山東省科學院)山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001)

空腔流場易產生振動和噪聲，是航空航天領域一類受到廣泛關注的流動問題[1]。在高速水下航行器及水力空化領域，空腔流動由于其速度較高，壓力降低，極易誘發(fā)空化，影響水下航行器的航行性能。

孫亞琴等[2]通過實驗和理論分析，研究了水平空腔旋流壓強的產生機理及構成，分析了其影響因素，探究了壓強的變化規(guī)律。韓帥斌等[3]運用渦動力學理論，結合拉格朗日擬序結構識別流場中旋渦結構，研究了空腔流動中的渦旋結構演化規(guī)律，包括碰撞、合并等過程。萬振華等[4]分析了空腔中渦結構碰撞后的壓力脈動分布，運用擬渦能的概念分析了空腔流動。曲俊超等[5]在空腔前部添加了微射流，改變了空腔流動結構，一方面減小了水下航行阻力，另一方面降低了航行器的水動力噪聲。劉哲等[6]采用動態(tài)模態(tài)分解的方法，探究了不同空腔結構的流態(tài)分析，重點解析了后壁面傾斜角對流動的影響。盡管有諸多學者開展了空腔流動的研究，然而針對高寬比對空腔流動的研究較少。

在空腔流動的數值計算中，常用的數值模擬方法有雷諾時均方程(Reynolds-averaged Navier-Stokes,RANS)、大渦模擬(large edy simulation,LES)和直接數值模擬(direct numerical simulation,DNS)。其中DNS能最有效地獲得流場內的湍流細節(jié)，但是消耗資源，計算成本高，計算時間長；而RANS方法通常會過濾掉很多流場細節(jié)，導致計算流場不夠精確[7]。因此，通常采用LES方法開展空腔流動流場數值模擬。

本文以空腔流場為研究對象，采用LES開展空腔流動的數值計算，重點分析高寬比對空腔流動的影響，探究監(jiān)測點壓力脈動的時頻特性，獲得空腔內固定位置的速度分布和壓力分布。結合渦量分布，獲得高寬比對空腔流動的具體影響，為后續(xù)開展空腔流動的應用奠定基礎。

1 模型及方法

大渦模擬方法的控制方程如下[8]：

(1)

(2)

式中，ρ為液體密度，uj為不同方向的速度，μ為黏性系數，p為流體壓力。

大渦模擬方程對質量和動量方程進行Favre濾波得到：

(3)

(4)

亞格子應力為：

(5)

渦黏度模型是一種廣泛使用的亞格子網格尺度模型，其假設是子網格尺度應力與過濾后的大流量應變率張量Sij的模量成正比[9]。

(6)

(7)

湍黏性系數μt是應用壁面局部渦黏度模型(WALE模型)封閉的亞格子尺度湍流黏度，WALE模型可以從層流剪切返回值[10]。

(8)

式中，LS和Sijd計算公式如下

LS=min(kd,CSV1/3)，

(9)

(10)

式中，k為馮卡門數，d是距離最近壁的距離，V是計算單元體積，Cs為默認WALE常數，通常取0.5。

2 空腔模型及邊界條件

空腔計算流域如圖1所示?？涨坏拈L度為L，高度D，寬度W，空腔前緣長度LI，空腔后部LA。為研究后續(xù)高寬比對空腔性能的影響，選擇3個典型工況：D/L分別為0.5、1.0、1.5。來流速度選擇30 m/s?；谇婚L的來流參數的雷諾數ReL=ρ∞U∞L/μ∞=1.2×105，其中U∞為空腔來流速度，網格分布在各個壁面及空腔開口處的剪切層附近加密，壁面第一層網格保證Y+≤1。進口設置為速度進口，出口設置成為壓力出口。

圖1 空腔流動計算流域Fig.1 Calculation domain of cavity flow

3 計算結果及驗證

3.1 網格驗證

由于在數值計算過程中，網格的劃分直接影響到計算結果，本文開展了網格無關性驗證。以D/L=0.5的空腔為模型，將計算網格劃分了粗、中、細三套網格，Case1空腔網格數為100×200，Case2為150×240，Case3為170×270。網格劃分形式如圖2所示，比較了不同網格數量下，分析空腔內(0，0)的壓力隨時間的變化，如圖3所示。通過計算發(fā)現，Case2和Case3的網格壓力脈動變化基本一致，網格的數量對計算結果影響較少?？紤]計算成本的問題，本文選擇Case2的網格作為計算網格，開展后續(xù)研究。后續(xù)針對不同D/L的空腔，按比例對空腔網格進行劃分，使其滿足相關精度要求。

圖2 網格劃分形式Fig.2 Grid generation form

圖3 時域壓力脈動Fig.3 The pressure fluctuation of time domain

3.2 流場內壓力脈動

在空腔中心位置P1(0，0)設置監(jiān)測點，通過計算，獲得不同高寬比空腔中非定常流動，記錄壓力脈動，獲得如圖4所示的壓力脈動分析。通過對比分析，發(fā)現高寬比D/L=0.5時，壓力脈動呈現明顯的周期性分布，當D/L=1.0和D/L=1.5時，其壓力脈動周期性不明顯，在大周期范圍內，還存在一定的小周期脈動。這說明高寬比的不同，對空腔內P1的壓力脈動影響較大，當高寬比增大時，空腔流動在壓力脈動范圍內增大，且周期性不明顯。通過對壓力脈動的傅里葉變換，分析得到頻域曲線，從圖4中發(fā)現，當高寬比增大時，峰值頻率增加，這說明在空腔口位置處的壓力脈動更加劇烈。

圖4 P1點的壓力脈動及其頻域分析Fig.4 The pressure fluctuation at P1 and the frequency domain analysis

3.3 時均速度分布

在計算過程中，截取y=0.001位置的曲線，線上的時均速度分布、時均壓力分布，如圖5所示。在y=0.001位置距離空腔口較近，截取此曲線位置的時均壓力脈動和時均速度，能夠有效反映空腔范圍內的流場特征。圖5顯示，低高寬比的空腔在y=0.001位置處的壓力脈動振蕩劇烈，在靠近來流方向壓力脈動低，考慮去流方向的位置，壓力脈動大，說明此處渦旋結構復雜。高寬比等于1.0和1.5的空腔壓力脈動較為平緩，波動較小。圖5(b)展示了y=0.001位置的速度分布，從圖中可以看出，D/L=0.5的速度波動較大，空腔速度分布呈現一定的周期分布，而其他高寬比的空腔速度波動較小，與前面壓力脈動的分布正好對應。

圖5 y=0.001流場特性分析Fig.5 Analysis of flow field characteristics at y=0.001

3.4 速度場分布

計算過程中獲得不同高寬比空腔的速度場分布情況，如圖6所示。從圖中可以看出，隨著高寬比的增大，流場內速度分布呈現不同趨勢。高寬比為0.5時，由于在流向方向上距離較大，速度分布沿流線分布，在腔內分布存在明顯的低速區(qū)，表明了在高寬比較小時，空腔內速度變化較大，有明顯的低速區(qū)，內部流動非定常特性比較明顯；高寬比為1.0時，垂直于流向方向上，呈現明顯的兩個大小相等，方向相反的速度分布，表明空腔內部存在兩個明顯的渦旋結構，內部流動規(guī)律明顯。隨著高寬比的繼續(xù)增加，速度分布區(qū)域呈現3個明顯交替的區(qū)域，這表明空腔區(qū)域內部具有速度梯度分布，呈現渦心數量增加。

圖6 x方向速度場對比Fig.6 Comparison of x-direction velocity field

3.5 渦量分布

通過仿真計算獲得不同高寬比下空腔的時均渦量分布情況，具體如圖7所示。從圖中可以看出，D/L=0.5的空腔整個腔內，渦量分布較大，與前面的速度分布和壓力分布對應。當高寬比較小時，空腔內流動活躍，內部出現很多渦旋結構，流動較為湍急，非線性特征明顯。D/L=1.0時，渦量值集中在空腔開口域和空腔內部，形成固定區(qū)域，空腔開口域渦量值較大，隨著空腔高度的增加，其渦量值減小，集中于空腔中心區(qū)域。流體流過空腔后，在空腔的后緣形成系列渦旋，且P1位置的壓力脈動形成波動較小的周期性流動。D/L=1.5的空腔其渦量分布與D/L=1.0相似，隨著空腔高度的增加，空腔內的渦量值和區(qū)域都減小了，空腔內的渦量高的值集中在空腔口附近及空腔內部的上邊緣位置，由于空腔口的作用在后緣同樣形成一系列渦量，相比其他兩種空腔流動，D/L=1.5的空腔后緣渦量值明顯小于前面幾種，這說明空腔高寬比對空腔內部流動影響較大。空腔開口位置是渦量的集中區(qū)，腔內形成明顯的圓形渦量分布，意味著在內部形成較為規(guī)則的環(huán)形渦流，其渦量分布與前述x方向速度分布相對應。

圖7 渦量場對比分析Fig.7 Comparison of vorticity field

4 結論

通過數值計算，對比了ReL=1.2×105情況下，高寬比對空腔流動的影響，通過分析獲得如下結論：

(1)高寬比的增加，空腔開口位置的壓力脈動周期性降低，周期性不明顯?？涨粌葔毫γ}動峰值降低，減弱了壓力脈動。

(2)高寬比增加，速度和壓力的波動減小，內部渦旋結構較為穩(wěn)定，呈現獨立較大的渦旋結構，而高寬比較小的空腔流動，內部流動復雜，具有多個小的渦旋結構，脈動性較強。

(3)時均渦量分布表明，隨著高寬比的增加，渦量分布較為單一，集中在空腔開口域附近及空腔內部，且整體的脈動值較小，而高寬比較小的空腔流動，渦量值較大，且分布區(qū)域廣，說明其內部流動脈動性較強。

經過本文的計算分析，發(fā)現不同高寬比的空腔流動特性變化較大，高寬比較大的流動較為平穩(wěn)。因此在水下航行器及船舶設計過程中盡量避免出現小的空腔，以免增加航行阻力，該研究為后續(xù)船舶水下開孔等系列空腔流動奠定了一定的理論基礎。