不同頭型回轉(zhuǎn)體空化現(xiàn)象的數(shù)值模擬研究

胡 俊，馬 亮，侯夏伊

(北京理工大學(xué) 宇航學(xué)院， 北京 100081)

1 引言

空化現(xiàn)象，指當(dāng)高速流動的液體達(dá)到某些特定條件時，液體內(nèi)部壓力降低產(chǎn)生撕裂而出現(xiàn)氣泡，包含相變、湍流脈動、可壓縮、非定常等諸多方面的復(fù)雜流動現(xiàn)象[1]。下游壓力上升導(dǎo)致空泡潰滅時，會伴隨高頻、高壓的脈沖的產(chǎn)生，破壞機(jī)械結(jié)構(gòu)，影響機(jī)械運(yùn)行的穩(wěn)定性[2-3]。因此對空化現(xiàn)象開展研究具有現(xiàn)實(shí)的工程意義，以減小空化現(xiàn)象對機(jī)械造成的不利影響。

按照空化流發(fā)展階段，可將其劃分為初生空化、片狀空化、云空化和超空化[4]。初生空化指液體中未溶解的微小氣核或非冷凝氣體在流場壓力下降時，出現(xiàn)少量氣泡的不明顯空化現(xiàn)象。一般認(rèn)為初生空化的影響因素包括當(dāng)?shù)貕毫5]、氣核分布、湍流強(qiáng)度和局部流動結(jié)構(gòu)[6]等，由于各因素間關(guān)系復(fù)雜，人們對初生空化的認(rèn)識還存在一定局限[7]。隨著空化數(shù)的進(jìn)一步降低，游離氣炮增多并相互融合，逐步形成片狀空化。片狀空化附著在航行體表面，尾部會發(fā)生小尺度周期性的生長、脫落現(xiàn)象[8]，其演變規(guī)律復(fù)雜，在工程應(yīng)用中比較常見[9-10]。

Kawanami等[11]通過在水翼表面布置多個壓力測量點(diǎn)，研究了附著型空化流動的機(jī)理和其控制方法。陳瑛[12]從不同角度對空泡流動特性及其機(jī)理進(jìn)行了研究，并且對不同空化模型和湍流模式的組合進(jìn)行了大量數(shù)值模擬，并將網(wǎng)格依賴性、空泡形態(tài)、空泡尺度、泡內(nèi)流動結(jié)構(gòu)和水動特性等方面進(jìn)行了系統(tǒng)地比較和分析。

目前，對不同頭型回轉(zhuǎn)體的初生空化及片狀空腔形態(tài)研究較少。回轉(zhuǎn)體頭型結(jié)構(gòu)和肩部連接方式的差異，直接決定了回轉(zhuǎn)體的初生空化數(shù)的不同，同時也會對空化腔形態(tài)等流場狀態(tài)產(chǎn)生影響。Rouse和S.McNown進(jìn)行了不同頭型結(jié)構(gòu)及肩部回轉(zhuǎn)體空化實(shí)驗(yàn)[13]。利用各頭型回轉(zhuǎn)體表面壓力分布的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對數(shù)值模擬工具驗(yàn)證，對不同系列頭型回轉(zhuǎn)體模型進(jìn)行數(shù)值模擬，探究頭型和肩部連接方式對初生空化數(shù)以及片狀空腔形態(tài)的影響。

2 數(shù)學(xué)模型和計算方法

2.1 多相流模型

Mixtrue模型把流體中各相看做相互混合的單一流體，通過求解混合物的動量方程、次相的體積分?jǐn)?shù)方程以及相對速度的代數(shù)表達(dá)式來模擬n個相的運(yùn)動，也可以用來模擬各相以相同速度運(yùn)動的多相流，在空化流研究中應(yīng)用較為成熟。其中，混合物的連續(xù)性方程表達(dá)式如下：

(1)

其中：vm為混合相速度，ρm為混合相密度：

(2)

ρm=αvρv+αlρl

(3)

式中：αl、ρl和vl分別為液相的體積分?jǐn)?shù)、密度及速度；αv、ρv和vv分別為氣相的體積分?jǐn)?shù)、密度及速度。

混合物的動量方程可以通過對氣液兩相的動量方程求和得到，其方程可以表達(dá)如下式：

(4)

其中：p為壓強(qiáng)，μm為混合動力粘度：

μm=αvμv+αlμl

(5)

其中， 、 分別為氣相、液相動力粘度。

2.2 Schnerr-Sauer空化模型

Schnerr-Sauer空化模型基于Rayleigh-Plesset單氣泡動力學(xué)方程，將混合相連續(xù)方程與氣相體積分?jǐn)?shù)方程聯(lián)立，得到氣相質(zhì)量變化率與氣相體積分?jǐn)?shù)變化率之間的關(guān)系，被廣泛應(yīng)用于初生及片狀空化的數(shù)值模擬研究中。

其氣液兩相間的質(zhì)量傳遞方程有如下形式：

(6)

其中，傳質(zhì)源項R表達(dá)式為：

(7)

該模型通過下式，將氣相體積分?jǐn)?shù)與氣泡數(shù)量nb及氣泡半徑Rb建立聯(lián)系：

(8)

該空化模型的最終形式為：

(9)

其中，Re、Rc分別為空化模型蒸發(fā)項及凝結(jié)項，pv為飽和蒸汽壓。

3 幾何模型、邊界條件及計算網(wǎng)格

3.1 幾何模型介紹

數(shù)值模擬選用Rouse和S.McNown[13]實(shí)驗(yàn)中描述的回轉(zhuǎn)體模型，直徑尺寸一致，取d=0.025 4 m。根據(jù)頭型的外形特點(diǎn)，將15種外形的頭型分為3個系列：圓形頭部回轉(zhuǎn)體系列、錐形頭部回轉(zhuǎn)體系列和橢圓形頭部回轉(zhuǎn)體系列。

3.1.1 圓形頭部回轉(zhuǎn)體系列

定義圓形頭部回轉(zhuǎn)體系列為以圓弧為基礎(chǔ)的立體幾何圖形，通過回轉(zhuǎn)體頭部圓弧輪廓的曲率半徑與回轉(zhuǎn)體直徑的比值定義該系列頭型回轉(zhuǎn)體，如圖1所示。

圖1 圓形頭部回轉(zhuǎn)體模型系列示意圖

3.1.2 錐形頭部回轉(zhuǎn)體系列

定義錐形頭部回轉(zhuǎn)體系列以圓錐體為基礎(chǔ)的立體幾何圖形，通過圓錐體頭部角度定義該系列頭型回轉(zhuǎn)，如圖2所示。

圖2 錐形頭部回轉(zhuǎn)體模型系列示意圖

3.1.3 橢圓形頭部回轉(zhuǎn)體系列

定義橢圓形頭部回轉(zhuǎn)體系列為以橢球型為基礎(chǔ)的立體幾何圖形，并通過其頭部橢圓的軸線與回轉(zhuǎn)體半徑的比值定義該系列頭型回轉(zhuǎn)體，如圖3所示。

圖3 橢圓形頭部回轉(zhuǎn)體模型系列示意圖

3.2 邊界條件及計算網(wǎng)格

數(shù)值計算采用實(shí)驗(yàn)[13]中的回轉(zhuǎn)體模型及流動條件，攻角為0°，回轉(zhuǎn)體直徑d=0.025 4 m。圖4顯示了計算域及其邊界條件，計算域入口為速度入口，距回轉(zhuǎn)體肩部位置5.5d；出口為壓力出口，距回轉(zhuǎn)體肩部位置10d；上邊界距回轉(zhuǎn)體對稱軸5.5d，對稱軸選擇Axisymmetric；回轉(zhuǎn)體表面和計算域壁面為無滑移固壁條件。

圖4 計算域及邊界條件示意圖

計算域內(nèi)選用C型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，可以較好地匹配回轉(zhuǎn)體的不同頭型?；剞D(zhuǎn)體近壁區(qū)域?yàn)榭栈F(xiàn)象發(fā)生的主要區(qū)域，因此設(shè)置厚度為d的網(wǎng)格加密區(qū)，滿足模擬需求。圖5為Caliber_0.5頭型回轉(zhuǎn)體近壁區(qū)域網(wǎng)格示意圖。

圖5 模型頭部及近壁加密區(qū)網(wǎng)格示意圖

為了使數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)相匹配，入口速度設(shè)置為Um=19.822 8 m/s，依次模擬了空化數(shù)為0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8下的流場。

4 結(jié)果與討論

4.1 頭型對回轉(zhuǎn)體初生空化數(shù)的影響

初生空化指回轉(zhuǎn)體表面出現(xiàn)微小游離氣泡的現(xiàn)象，是發(fā)生空化現(xiàn)象的初始狀態(tài)，此時的空化數(shù)為初生空化數(shù)。為探究不同頭型系列及頭部特征對回轉(zhuǎn)體初生空化的影響，計算圓形、錐形及橢圓形頭部回轉(zhuǎn)體不同頭型的初生空化流場，研究回轉(zhuǎn)體初生空化數(shù)隨頭部特征變化規(guī)律。

4.1.1 圓形頭部回轉(zhuǎn)體初生空化數(shù)的變化規(guī)律

各圓形頭部回轉(zhuǎn)體的初生空化數(shù)存在較大的差異，如圖6所示。

圖6 圓形頭部回轉(zhuǎn)體初生空化數(shù)變化規(guī)律曲線

圓形系列初生空化數(shù)最小為Caliber_2頭型回轉(zhuǎn)體，其數(shù)值介于0.25～0.3之間，并且在圓形頭部回轉(zhuǎn)體系列中，隨著頭部曲率半徑與回轉(zhuǎn)體直徑的比值即頭型長度減小，圓形頭部回轉(zhuǎn)體的初生空化數(shù)呈現(xiàn)出增長趨勢。頭型為Caliber_0.25和Caliber_0.125的頭部頂端有平面結(jié)構(gòu)時，其初生空化數(shù)值大于0.8。

從圓形頭型回轉(zhuǎn)體系列的初生空化數(shù)可以得出，頭型長度越長，其初生空化數(shù)越小，空化現(xiàn)象越容易發(fā)生。

4.1.2 錐形頭部回轉(zhuǎn)體初生空化數(shù)的變化規(guī)律

各錐形頭部回轉(zhuǎn)體的初生空化數(shù)存在較大的差異，如圖7所示。錐形系列Conical_180°、Conical_225°、Conical_360°頭型回轉(zhuǎn)體初生空化數(shù)較小，其數(shù)值都介于0.5～0.6；并且在錐形頭部回轉(zhuǎn)體系列中，隨著頭部錐角的逐漸減小，即頭型長度不斷增大，錐形頭部回轉(zhuǎn)體的初生空化數(shù)呈現(xiàn)出增長趨勢。

圖7 錐形頭部回轉(zhuǎn)體初生空化數(shù)變化規(guī)律曲線

從錐形頭型回轉(zhuǎn)體系列的初生空化數(shù)可以得出，頭型長度越長，其初生空化數(shù)值越大，空化現(xiàn)象越不容易發(fā)生。當(dāng)頭部錐角增大至平頭頭型、內(nèi)凹頭型時，其初生空化數(shù)沒有較大改變。

4.1.3 橢圓形頭部回轉(zhuǎn)體初生空化數(shù)的變化規(guī)律

各橢圓形頭部回轉(zhuǎn)體的初生空化數(shù)存在較大的差異，如圖8所示。

圖8 橢圓形頭部回轉(zhuǎn)體初生空化數(shù)變化規(guī)律曲線

橢圓形系列初生空化數(shù)最小為Ellipsoidal_2頭型回轉(zhuǎn)體，其數(shù)值介于0.3～0.35。在橢圓形頭部回轉(zhuǎn)體系列中，隨著頭部長度與回轉(zhuǎn)體半徑的比值即頭型長度逐漸減小，橢圓形頭部回轉(zhuǎn)體的初生空化數(shù)呈現(xiàn)出增長趨勢。頭型為Ellipsoidal_0(Blunt)和Ellipsoidal_-0.5時，由于其肩部為尖銳的突出連接，不具備典型的橢圓形頭型回轉(zhuǎn)體特征，認(rèn)為其初生空化數(shù)介于0.5～0.6是合理的。

從橢圓形頭型回轉(zhuǎn)體系列的初生空化數(shù)可以得出，頭型長度越長，其初生空化數(shù)越小，越容易發(fā)生空化。與錐形頭部系列類似，當(dāng)頭部頭型縮短至平頭頭型、內(nèi)凹頭型時，其初生空化數(shù)同樣沒有較大改變。

4.2 空化數(shù)頭型對回轉(zhuǎn)體空腔形態(tài)的影響

頭部特征及空化數(shù)的改變都會對影響回轉(zhuǎn)體空化流形態(tài)。隨空化數(shù)減小，各頭型回轉(zhuǎn)體表面的空化現(xiàn)象經(jīng)歷了無空化、初生空化、片狀空化和云狀空化的過程，其中，片狀空化能夠穩(wěn)定附著在回轉(zhuǎn)體表面，僅在空腔尾部出現(xiàn)小尺度的空泡潰滅脫落現(xiàn)象，能夠較為直觀的研究頭型對回轉(zhuǎn)體空化狀態(tài)的影響。為研究圓形、橢圓形及錐形頭型系列下空化數(shù)及頭型回轉(zhuǎn)體片狀空化影響，選取三組頭型系列下部分頭部回轉(zhuǎn)體，對空化數(shù)0.2～0.8空化流場進(jìn)行計算。

4.2.1空化數(shù)及頭型對圓形頭部回轉(zhuǎn)體系列片狀空化影響

圖9所示為Caliber_0.5(Hem)、Caliber_0.25、Caliber_0.125圓形頭型回轉(zhuǎn)體在不同空化數(shù)下的片狀空化的無量綱長度L(空腔實(shí)際長度與回轉(zhuǎn)體直徑之比)和無量綱厚度H(空腔實(shí)際厚度與回轉(zhuǎn)體直徑之比)。

圖9 圓形頭部回轉(zhuǎn)體系列部分頭型空化腔的 長度、厚度曲線

數(shù)值結(jié)果表明，隨著空化數(shù)增大，附著在回轉(zhuǎn)體表面空腔長度L和厚度H均呈現(xiàn)較為一致的減小趨勢，且這種減小趨勢逐漸減緩。當(dāng)空化數(shù)取值小于0.4時，空化腔的長度L和厚度H均顯著提升，即在空化數(shù)較小時，空化現(xiàn)象較為劇烈，此時空化腔的長度L和厚度H對空化數(shù)值的改變表現(xiàn)得更加敏感。

根據(jù)圓形頭型的定義，圖中所示3個頭型結(jié)構(gòu)相同，肩部連接處都是平滑曲線連接，但頭型長短和頭部頂端平面面積存在差異，頭型越長，其頭部頂端平面面積越小。在同一空化數(shù)下，長度越長(曲率半徑越大)的圓形頭型所形成空化腔的長度L及厚度H越小。

4.2.2空化數(shù)及頭型對錐形頭部回轉(zhuǎn)體系列片狀空化影響

圖10所示曲線表示了Conical_45°、Conical_90°、Conical_135°及Conical_180°(Blunt)錐形頭型回轉(zhuǎn)體的空化腔長度L和厚度H隨空化數(shù)變化趨勢。結(jié)果表明，與圓形頭部回轉(zhuǎn)體相似，隨著空化數(shù)增大，空化腔的長度L和厚度H均呈現(xiàn)比較一致的減小趨勢，且空化腔的長度L和厚度H減小趨勢都逐漸變緩。當(dāng)空化數(shù)在取值相對較小時，空化腔的長度L和厚度H改變的幅度增大，即空化腔的長度L和厚度H對空化數(shù)值的改變表現(xiàn)得更加敏感。

圖10 錐形頭部回轉(zhuǎn)體系列部分頭型空化腔的 長度、厚度曲線

根據(jù)錐形頭型的定義，計算采用的4個頭型結(jié)構(gòu)相同，肩部連接處都是尖銳突出連接，但頭型長短、頭部頂端錐角和肩部連接處存在差異。具體為：頭型越長，頭部頂端錐角越小，肩部連接處角度越大。當(dāng)空化數(shù)一定時，長度越長(頭部頂端錐角越小)的錐形頭型所形成空化腔的長度L及厚度H越短。

4.2.3空化數(shù)及頭型對橢圓形頭部回轉(zhuǎn)體系列片狀空化影響

圖11所示曲線表示了Ellipsoidal_0.5、Ellipsoidal_1(Hem)、Ellipsoidal_2、橢圓形頭型回轉(zhuǎn)體的空化腔長度L和厚度H。與圓形及錐形頭部系列回轉(zhuǎn)體空化狀態(tài)相同，隨著空化數(shù)增大，空化腔的長度L和厚度H均逐漸減小。空化數(shù)小于0.5時，Ellipsoidal_0.5及Ellipsoidal_1(Hem)表面空化腔的長度L和厚度H改變的趨勢更大，即取較小空化數(shù)時，空化腔的長度L和厚度H對空化數(shù)的取值得更加敏感。

圖11 橢圓形頭部回轉(zhuǎn)體系列部分頭型空化腔的 厚度對比曲線

根據(jù)橢圓形頭型的定義，圖中所示3個頭型結(jié)構(gòu)相同，肩部連接處都是平滑曲線連接，與圓形頭型不同的是，橢圓形頭型頭部頂端都是曲面結(jié)構(gòu)，但頭型長短存在差異。取同一空化數(shù)時，長度越長的圓形頭型所形成空化腔的長度L及厚度H越小。

4 結(jié)論

1) 由于圓形、錐形和橢圓形頭部系列回轉(zhuǎn)體中型回轉(zhuǎn)體頭部結(jié)構(gòu)和長度的不同以及肩部連接方式的差異，3種頭部回轉(zhuǎn)體初生空化數(shù)隨頭部長度增長的變化規(guī)律有所不同。圓形系列及橢圓形系列回轉(zhuǎn)體初生空化數(shù)隨頭部增長而減小，而錐形系列回轉(zhuǎn)體初生空化數(shù)隨頭部長度減小而減小。

2) 當(dāng)空化數(shù)減小時，圓形、錐形及橢圓形頭部回轉(zhuǎn)體的空化腔的長度L和厚度H都增大。對任一系列頭型的回轉(zhuǎn)體，當(dāng)空化數(shù)減小時，頭部長度越短的回轉(zhuǎn)體表面所形成的空腔長度L和厚度H增長越快，空化現(xiàn)象越明顯。