仿生水翼結(jié)構(gòu)對(duì)空化抑制效果影響的數(shù)值分析

收稿日期： 2022-09-20； 修回日期： 2023-02-09； 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間： 2024-06-24

網(wǎng)絡(luò)出版地址： https：//link.cnki.net/urlid/32.1814.TH.20240621.1314.022

基金項(xiàng)目： 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（52169018）；甘肅省教育廳產(chǎn)業(yè)支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2021CYZC-27）

第一作者簡(jiǎn)介： 趙偉國(guó)（1979—），男，山東東營(yíng)人，教授（通信作者，zhaowg@zju.edu.cn），主要從事水力機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)及空化多相流動(dòng)機(jī)理研究.

第二作者簡(jiǎn)介： 劉金晶（1997—），女，甘肅蘭州人，碩士研究生（j17361688418@163.com），主要從事水力機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)及空化多相流動(dòng)機(jī)理研究.

摘要： 空化對(duì)流體機(jī)械表面造成高頻脈動(dòng)沖擊，使其動(dòng)力性能下降.為提高水翼的抗空化性能，研究水翼表面仿生結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)空化抑制效果的影響.采用SST-TM湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型，對(duì)不同參數(shù)仿生結(jié)構(gòu)水翼的空化流場(chǎng)和水動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究.探究仿生結(jié)構(gòu)的弦向位置、寬度、角度對(duì)空化效果的影響，初步揭示空化抑制機(jī)理.結(jié)果表明：當(dāng)仿生結(jié)構(gòu)的弦向位置為L(zhǎng)=0.3C、寬度為b=0.15δmax、角度為θ=14°時(shí)抑制效果最明顯，與原型水翼相比空泡數(shù)減少24%，水翼振動(dòng)頻率減小23%，升阻比提高4.73%，回射流厚度和強(qiáng)度明顯減弱；隨著仿生結(jié)構(gòu)接近尾緣，吸力側(cè)上的空化區(qū)先減小后增大，在空化充分發(fā)展的空腔末端設(shè)置仿生結(jié)構(gòu)抑制效果最明顯；存在最佳寬度參數(shù)使空泡體積數(shù)最少，最小壓力系數(shù)增大明顯，升阻比最大；仿生結(jié)構(gòu)角度的增大能更好地增大水翼近壁面壓力，同時(shí)也會(huì)引起旋渦的生成，加劇流場(chǎng)的不穩(wěn)定性.

關(guān)鍵詞： NACA0015翼型；仿生結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)參數(shù)；數(shù)值模擬；空化被動(dòng)控制

中圖分類號(hào)： S277.9" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A" 文章編號(hào)： 1674-8530（2024）07-0685-08

DOI：10.3969/j.issn.1674-8530.22.0226

趙偉國(guó)，劉金晶，張佳瑜，等.仿生水翼結(jié)構(gòu)對(duì)空化抑制效果影響的數(shù)值分析［J］.排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2024，42（7）：685-692，700.

ZHAO Weiguo，LIU Jinjing，ZHANG Jiayu，et al. Numerical analysis of effect of bionic hydrofoil structure on cavitation suspension［J］.Journal of drainage and irrigation machinery engineering（JDIME），2024，42（7）：685-692，700.（in Chinese）

Numerical analysis of effect of bionic hydrofoil structure

on cavitation suspension

ZHAO Weiguo1，2*， LIU Jinjing1， ZHANG Jiayu1， QIN Jiawei1

（1. School of Energy and Power Engineering， Lanzhou University of Technology， Lanzhou， Gansu 730050， China; 2. Key Laboratory of Fluid Machinery and System of Gansu Province， Lanzhou， Gansu 730050， China）

Abstract： Cavitation will cause high frequency pulsation impact on the fluid machinery surface， which will degrade its dynamic performance. In order to improve the cavitation suspension performance of hydrofoil， the influence of surface bionic structure parameters on the cavitation suspension effect of hydrofoil was studied. SST-TM turbulence model and Zwart-Gerber-Belamri cavitation model were used to numerically simulate the cavitation flow field and hydrodynamic characteristics of bionic structure hydrofoil with different parameters. The influence of the chord wise position， width and angle of the bionic structure on the cavitation effect was explored， and the mechanism of cavitation suspension was initially revealed. The results show that when the chord wise position of the bionic structure is L=0.3C， the width is b=0.15δmax and the angle is θ=14°， the suspension effect is the most obvious. Compared with the prototype hydrofoil， the number of cavitation is reduced by 24%， the vibration frequency of hydrofoil is reduced by 23%， the lift-drag ratio is increased by 4.73%， and the thickness and strength of the reverse jet flow are significantly weakened. As the bionic structure approaches the tail， the cavitation area on the suction side decreases first and then increases， and the suppression effect is the most obvious when the bionic structure is set at the end of the cavity where the cavitation is fully developed. With the optimum width parameter， the volume number of cavitation is minimum， the minimum pressure coefficient increases obviously， and the lift-drag ratio is maximum. The increase of the bionic structure angle can better increase the pressure near the wall of the hydrofoil， and cause the generation of vortex， and aggravate the instability of the flow field.

Key words： NACA0015 hydrofoil;bionic structure;structural parameter;numerical simulation;passive control of cavitation

空化是流場(chǎng)局部壓力降低導(dǎo)致空泡產(chǎn)生、發(fā)展和潰滅的過(guò)程.空化的發(fā)生會(huì)干擾設(shè)備的正常運(yùn)行，嚴(yán)重情況下會(huì)造成水力機(jī)械性能顯著下降.采取有效措施控制空化的產(chǎn)生，對(duì)于水力機(jī)械的安全運(yùn)行，有著重要意義.

許多學(xué)者對(duì)云空化的機(jī)理展開大量研究，認(rèn)為回射流是云空化產(chǎn)生的主要原因［1-3］.因此對(duì)于空化抑制的研究，就轉(zhuǎn)移到如何阻止回射流、側(cè)向射流的產(chǎn)生和其向翼型前緣的發(fā)展上.趙偉等［4］研究發(fā)現(xiàn)在新水翼上均勻布設(shè)多個(gè)流動(dòng)控制結(jié)構(gòu)能夠?qū)厣淞髌鸬竭B續(xù)抑制作用，改善壓力分布，減小回射流對(duì)空化區(qū)域的影響.史周浩等［5］在翼型易發(fā)生空化的區(qū)域設(shè)計(jì)了局部微通道，有效地抑制了空化的產(chǎn)生和發(fā)展，降低了空化發(fā)生的規(guī)模.KADIVAR 等［6］在水翼表面布置半球型渦流發(fā)生器，發(fā)現(xiàn)渦流發(fā)生器可以減輕水翼空化不穩(wěn)定性行為，使水翼尾流區(qū)域的壓力脈動(dòng)顯著降低.除此之外，許多研究學(xué)家將目光投向海洋生物領(lǐng)域，依賴身體結(jié)構(gòu)與體表形態(tài)對(duì)體周流動(dòng)進(jìn)行控制進(jìn)而抑制空化.陳柳［7］根據(jù)座頭鯨鰭肢前緣凸結(jié)結(jié)構(gòu)，研究了前緣波幅和波長(zhǎng)對(duì)改進(jìn)水翼抗云空化性能的作用.王燕燕等［8］根據(jù)鯽魚表面鱗片結(jié)構(gòu)，研究了仿生特殊構(gòu)型對(duì)空化流動(dòng)影響的規(guī)律.旗魚作為游速最快的魚類，具有足夠剛度的尾鰭，ZHAO等［9］對(duì)旗魚尾鰭進(jìn)行了研究，將鰭狀棘的仿生結(jié)構(gòu)布置于NACA0015翼型吸力面，翼型吸力面空泡體積與湍動(dòng)能均降低，從而抑制空化.

因此，文中在水翼表面施加鰭棘狀仿生結(jié)構(gòu)，對(duì)仿生結(jié)構(gòu)的弦向位置、寬度、角度等參數(shù)進(jìn)行分析，研究仿生結(jié)構(gòu)參數(shù)與空化抑制效果和水翼水動(dòng)力性能之間相互作用的規(guī)律，初步揭示空化抑制機(jī)理.

1" 數(shù)值模擬方法及驗(yàn)證

1.1" 仿生水翼幾何特征設(shè)計(jì)

旗魚具有良好的水動(dòng)力學(xué)特性，基于付碧波［10］對(duì)旗魚尾鰭進(jìn)行三維掃描獲得旗魚尾鰭數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)尾鰭切面呈翼型結(jié)構(gòu)，如圖1所示，根據(jù)尾鰭表面分布的規(guī)則鰭棘結(jié)構(gòu)，將其簡(jiǎn)化為如圖2所示仿生結(jié)構(gòu).

文中選取研究對(duì)象為NACA0015翼型，弦長(zhǎng)C和翼展s均為100 mm，攻角為8°，最大厚度δmax為弦長(zhǎng)的15%，即15 mm.結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，水翼表面布置的仿生結(jié)構(gòu)位置由4個(gè)變量控制，分別為L(zhǎng)，l，a和θ.其中L為仿生結(jié)構(gòu)最前端與水翼前緣的弦向距離，l為仿生結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，lx和ly分別為仿生結(jié)構(gòu)在笛卡爾坐標(biāo)下投影；θ為其傾角；a為兩個(gè)不連續(xù)傾斜障礙物前端的間距.仿生結(jié)構(gòu)的形狀由高度h和寬度b兩個(gè)變量控制.

1.2" 計(jì)算模型與邊界條件

模擬采用SST Transition Model（SST-TM）湍流模型即SST γ-Reθ轉(zhuǎn)捩模型，它是SST k-ω湍流模型與另外2個(gè)輸運(yùn)方程（轉(zhuǎn)捩因子的輸運(yùn)方程，轉(zhuǎn)捩動(dòng)量厚度雷諾數(shù)的輸運(yùn)方程）的耦合，與標(biāo)準(zhǔn)的SST k-ω湍流模型相比，修正的SST-TM 湍流模型能有效地預(yù)測(cè)翼型流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和水動(dòng)力特性，以及更好地捕捉流場(chǎng)邊界層發(fā)生的流動(dòng)分離和轉(zhuǎn)捩現(xiàn)象.空化模型采用Zwart-Gerber-Belamri空化模型，該模型已廣泛運(yùn)用于空化的非定常模擬中.

水翼計(jì)算域及邊界條件設(shè)置如圖3所示.設(shè)置模型計(jì)算域的展向?qū)挾葹閏，模擬區(qū)域入口距離水翼前緣2.5c，邊界條件為速度入口.出口距離水翼尾緣6.5c，以保證尾渦充分發(fā)展，邊界條件為壓力出口，壁面邊界條件均為無(wú)滑移壁面和光滑壁面.

1.3" 網(wǎng)格劃分

采用ANSYS ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為更好地實(shí)現(xiàn)計(jì)算域邊界與網(wǎng)格的擬合，適應(yīng)流場(chǎng)的計(jì)算，整個(gè)計(jì)算域采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，翼型區(qū)域采用O型網(wǎng)格，如圖4所示.

SST-TM模型對(duì)于流場(chǎng)的幾何形狀和網(wǎng)格具有較高要求，對(duì)于復(fù)雜模型，往往收斂困難，對(duì)可能發(fā)生流動(dòng)分離區(qū)域的近壁面網(wǎng)格要加密處理，調(diào)整Y+盡可能小于1.壁面法向網(wǎng)格尺度變化比例和沿流向的網(wǎng)格變化尺度變化比例不大于1.1.本模擬中原型水翼Y+值最大為0.9，對(duì)于仿生結(jié)構(gòu)自身局部流動(dòng)分離問(wèn)題不關(guān)注，仿生結(jié)構(gòu)水翼壁面上網(wǎng)格又受幾何條件的限制，所以設(shè)置仿生結(jié)構(gòu)Y+小于10，水翼表面Y＋在1左右，如圖5所示.

在保證Y＋滿足的條件下，對(duì)5個(gè)不同網(wǎng)格數(shù)N方案的單流場(chǎng)模擬計(jì)算進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析，如表1，2所示，表中Cl，Cd分別為升力系數(shù)與阻力系數(shù).最終確定原型水翼網(wǎng)格數(shù)為385萬(wàn)，仿生結(jié)構(gòu)水翼為409萬(wàn).

1.4" 參數(shù)設(shè)置

文中選取雷諾數(shù)Re為1.0×106，計(jì)算所得進(jìn)口速度v∞為10 m/s，出口壓力根據(jù)空化數(shù)σ設(shè)置，文中根據(jù)空化數(shù)σ=0.8設(shè)置出口壓力p∞為43 169 Pa.時(shí)間步長(zhǎng)可采用經(jīng)驗(yàn)公式Δt=Tref/200［11］，其中Tref=C/v∞設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)Δt=5.0×10-5 s.每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)計(jì)算殘差收斂值為1.0×10-5，每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)迭代次數(shù)最大為20.

Re=ρlv∞dμ，（1）

σ=p∞-pv0.5ρlv2∞，（2）

式中：ρl 為液體密度;μ為液體黏性系數(shù);d為特征長(zhǎng)度;pv為飽和蒸氣壓.

1.5" 算法驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)值仿真算法的準(zhǔn)確性，設(shè)置相同的條件對(duì)三維NACA0015翼型進(jìn)行驗(yàn)證.翼型弦長(zhǎng)為C=115 mm，計(jì)算域尺寸為120 mm×80 mm×50 mm，翼型位于計(jì)算域中間，攻角為5°.計(jì)算域進(jìn)口取速度入口，為8 m/s，空化數(shù)為1.5.得到翼型中間型線壓力分布如圖6所示，吸力面試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)自CERVONE等［12］研究成果.由圖可知，計(jì)算所得吸力面壓力系數(shù)與試驗(yàn)吻合良好.

2" 計(jì)算結(jié)果分析

ZHAO等［9］選取了弦向位置為0.5C、寬度和高度為2 mm、傾角為14°的仿生結(jié)構(gòu)水翼進(jìn)行了研究，文中在其基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)不同弦向位置、寬度和傾角3個(gè)影響因素進(jìn)行分析.

在進(jìn)行計(jì)算結(jié)果分析之前，首先對(duì)幾個(gè)量綱一化數(shù)進(jìn)行定義：

Cl=Fl0.5ρlv2∞A，（3）

Cd=Fd0.5ρlv2∞A，（4）

壓力系數(shù)是描述壓力升降變化的量綱一化參數(shù)，其計(jì)算式為

Cp=p-p∞0.5ρlv2∞，（5）

式中：Fl和Fd分別為水翼受到的升力和阻力；A為翼型投影面積；p為水翼局部壓力.

2.1" 弦向位置L對(duì)空化流動(dòng)的影響分析

水翼表面仿生結(jié)構(gòu)的目的是消除回射流對(duì)近壁面的作用，減弱對(duì)空泡的剪切作用，降低空化的脫落.因此，需要合理地設(shè)置仿生結(jié)構(gòu)的位置，才能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)效果.為研究不同位置對(duì)空化抑制的影響，在水翼吸力面弦向位置L=0.2C，L=0.3C，L=0.4C，L=0.6C布置仿生結(jié)構(gòu).

圖7為仿生結(jié)構(gòu)在不同弦向位置處空泡體積分?jǐn)?shù)為10%等值面.

從圖7中可以看出，空化初生階段時(shí)，由于仿生結(jié)構(gòu)邊緣很尖銳從而引發(fā)剪切作用，因此在仿生結(jié)構(gòu)處產(chǎn)生剪切渦，弦向位置L=0.2C處仿生結(jié)構(gòu)引起強(qiáng)烈剪切渦加劇空化，而弦向位置L=0.3C，L=0.4C，L=0.6C處的仿生結(jié)構(gòu)只有少量的剪切渦存在，且對(duì)前緣生成的空化抑制明顯.在空泡發(fā)展階段，由于仿生結(jié)構(gòu)的存在，翼展中間空泡數(shù)減小，L=0.2C效果較為明顯.隨著空泡生長(zhǎng)到一定階段，在空腔閉合區(qū)的尾部產(chǎn)生回射流向水翼前緣發(fā)展，而此時(shí)L=0.2C的空化區(qū)已經(jīng)大面積越過(guò)仿生結(jié)構(gòu)，相比較其他位置的仿生結(jié)構(gòu)，L=0.2C抑制空化的目的反而不明顯.弦長(zhǎng)位置在0.2C之后對(duì)空泡有很明顯的抑制效果，但是仿生結(jié)構(gòu)位置越接近尾緣，就會(huì)擾動(dòng)尾緣流場(chǎng)，產(chǎn)生旋渦，抑制空化的效果減弱.所以隨著仿生結(jié)構(gòu)接近尾緣，吸力面上空泡區(qū)先減小，后增大，存在最小的空化區(qū)面積.分析其原因，弦向位置L=0.3C處于片空化發(fā)展最大時(shí)空腔的末端位置，此時(shí)空腔末端回射流剛剛形成，其所具有的能量較小，所以在此位置設(shè)置仿生結(jié)構(gòu)恰好可以阻擋回射流，并改善附近射流區(qū)域的壓力.由此可以得出L=0.3C時(shí)，空化流動(dòng)隨之改善，抑制空化效果最明顯.

圖8為4個(gè)不同弦向位置的壓力云圖和x方向速度云圖.仿生結(jié)構(gòu)靠近水翼前緣時(shí)（L=0.2C）對(duì)低壓區(qū)影響較小.弦向位置超過(guò)0.2C均對(duì)低壓區(qū)減小明顯，且仿生結(jié)構(gòu)弦向位置越靠近尾緣，對(duì)尾緣端低壓區(qū)減小越明顯.當(dāng)仿生結(jié)構(gòu)水翼位置在空腔尾部之后時(shí)（L=0.4C，L=0.6C），雖然低壓區(qū)減小，但是回射流厚度加厚，范圍變大，此時(shí)仿生結(jié)構(gòu)無(wú)法阻擋部分回射流，空泡脫落依舊存在.所以，在空腔閉合處（L=0.3C）布置仿生結(jié)構(gòu)，水翼吸力面低壓區(qū)減小，回射流厚度變薄，回射流強(qiáng)度減弱，空泡脫落現(xiàn)象得到抑制［13-15］.

圖9為不同弦向位置水翼空泡體積時(shí)域圖，從圖中可以看出，布置仿生結(jié)構(gòu)可有效減小空泡體積，而對(duì)于不同弦向位置的仿生結(jié)構(gòu)，L=0.3C處效果最明顯.

圖10為水翼升阻比、平均空泡體積隨弦向位置的變化，可以看出，隨著弦向位置接近尾緣，升阻比總體上呈增大趨勢(shì)，水翼的水動(dòng)力性能進(jìn)一步提升.而在弦向位置L=0.3C處，水翼吸力側(cè)上時(shí)均空泡體積數(shù)最小，為17 389.1 mm3，相比較原型水翼22 996.7 mm3相差5 607.6 mm3，空泡體積減小24%，故弦向位置L=0.3C對(duì)空泡體積控制效果最好.

圖11為不同弦向位置升力系數(shù)頻域圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，仿生結(jié)構(gòu)的存在使升力系數(shù)的幅值降低.在升力系數(shù)頻譜分析中，第一特征頻率為空泡脫落頻率，第二特征頻率為渦流的生成和脫落的頻率.如圖，原型水翼的主頻率振幅為0.263，不同弦向位置的主頻率振幅依次為0.257，0.202，0.229，0.230，L=0.3C時(shí)效果最明顯，相比較原型水翼，弦向位置L=0.3C的仿生水翼使得云空泡脫落所引起的水翼振動(dòng)減弱了23%.

因此，當(dāng)仿生結(jié)構(gòu)位于空化區(qū)尾端閉合區(qū)時(shí)對(duì)空化流場(chǎng)的控制效果最好，且對(duì)水動(dòng)力性能也有一定的提升.

2.2" 寬度b對(duì)空化流動(dòng)的影響分析

仿生結(jié)構(gòu)的存在增大翼型近壁面壓力，空泡脫落減弱，同時(shí)為了保證不對(duì)翼型的其他性能產(chǎn)生較大的負(fù)面影響，應(yīng)對(duì)仿生結(jié)構(gòu)寬度的影響加以研究.文中研究仿生結(jié)構(gòu)寬度分別選為0.10δmax，0.15δmax，0.20δmax.圖12為在仿生結(jié)構(gòu)弦長(zhǎng)位置為0.3C，空化數(shù)為0.8的條件下，3種不同寬度結(jié)構(gòu)水翼展向中間截面空化形態(tài)對(duì)比.可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)寬度b=0.15δmax時(shí)，空化抑制效果最優(yōu).所以在研究范圍內(nèi)，存在最佳寬度使得空化抑制效果最優(yōu).

從圖中可以看出，采用過(guò)小的仿生結(jié)構(gòu)寬度對(duì)低壓區(qū)影響較小，寬度過(guò)大也不會(huì)使低壓區(qū)減小，反而會(huì)造成仿生結(jié)構(gòu)區(qū)域低壓區(qū)增加，尾部回流區(qū)增加，對(duì)流場(chǎng)造成不利影響.從圖14最小壓力系數(shù)隨寬度的變化也可以看出，仿生結(jié)構(gòu)水翼對(duì)于原型水翼吸力面最低壓力點(diǎn)提升較為明顯，而隨著寬度的增大，壁面最低壓力系數(shù)稍有減小，對(duì)低壓區(qū)提升的效果也迅速減弱.

從表 3關(guān)于水翼動(dòng)力學(xué)特性的計(jì)算也表明，添加不同寬度的仿生結(jié)構(gòu)后均提高升阻比，并且減小了空泡體積Vc，每個(gè)方案均提高了水翼的空化性能，但是不同的寬度結(jié)構(gòu)對(duì)水翼的水動(dòng)力性能影響不同，存在最佳的寬度.隨著寬度增加，升阻比呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì).當(dāng)寬度b=0.15δmax時(shí)，水翼升阻比提升效果最好，水動(dòng)力性能最佳.

圖15為不同寬度水翼云空化過(guò)程空泡體積變化時(shí)域圖，從圖中可以看出在空化數(shù)為0.8的條件下，仿生結(jié)構(gòu)寬度b=0.15δmax對(duì)于空泡體積減少較為顯著.

2.3" 角度θ對(duì)空化流動(dòng)的影響分析

在研究仿生結(jié)構(gòu)角度對(duì)于空化流動(dòng)的影響規(guī)律時(shí)，設(shè)置仿生結(jié)構(gòu)弦向位置為0.3C，寬度為b=0.15δmax，即前文研究最佳參數(shù)，選取角度為0°，14°，30°，45°的仿生結(jié)構(gòu).圖16為不同角度下水翼展向中間截面處空化形態(tài)的模擬結(jié)果.

隨著仿生結(jié)構(gòu)角度的增大，吸力面上空化區(qū)先減小后增大，仿生結(jié)構(gòu)角度為30°，45°時(shí)會(huì)在水翼尾緣引起旋渦，所以存在最小的空化區(qū)面積.因此，在空化數(shù)為0.8時(shí)，當(dāng)弦向位置和寬度一定時(shí)，存在著最佳的角度參數(shù).

圖17為不同角度水翼吸力面壓力系數(shù)分布，在水翼弦長(zhǎng)前40%空化區(qū)，角度為14°提升壓力系數(shù)最明顯，而在40%～70%弦長(zhǎng)區(qū)域，45°提升壓力系數(shù)最大，其次為14°和30°.到水翼尾緣80%弦長(zhǎng)處，與其他方案相比，角度為14°的仿生水翼壓力系數(shù)較大，這說(shuō)明14°仿生結(jié)構(gòu)能很好地抑制水翼尾緣的空泡脫落.所以在水翼前緣低壓區(qū)以及水翼尾緣的空泡脫落區(qū)，角度為14°的仿生水翼都能增大吸力面的最小壓力系數(shù).

圖18為原型水翼和不同角度仿生結(jié)構(gòu)水翼的極限流線圖和壓力云圖，從圖中可見，仿生結(jié)構(gòu)為0°時(shí)，尾緣向前緣的回射流由于仿生結(jié)構(gòu)的作用，一部分流向水翼兩側(cè)，1/3部分流向內(nèi)側(cè)在仿生結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)出現(xiàn)對(duì)旋渦，使得近壁面壓力降低.角度大于0°仿生結(jié)構(gòu)的存在使得尾緣向前緣的回流幾乎全部流向仿生結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)，近壁面流體與主流匯合，流動(dòng)方向改變使得吸力面壓力增大.而仿生結(jié)構(gòu)角度的增大使得來(lái)流與仿生結(jié)構(gòu)夾角變小，使得仿生結(jié)構(gòu)兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生分離渦，產(chǎn)生分離渦的位置壓力降低.

圖19為不同角度仿生結(jié)構(gòu)水翼空泡體積時(shí)域圖，可以看出θ=14°減小空泡數(shù)效果最明顯，圖20關(guān)于水翼動(dòng)力學(xué)特性的計(jì)算表明，隨著角度增大，升阻比總體呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，水翼的水動(dòng)力性能近一步提升.然而，空化的抑制效果并不是隨著角度增大而有所提高.當(dāng)角度為θ=14°時(shí)，水翼吸力面空化區(qū)空泡體積最小，只有原始水翼的70%，抑制空化效果最好. θ=14°時(shí)升阻比相比原始水翼提高了4.73%.

3" 結(jié)" 論

1） 布置仿生結(jié)構(gòu)的目的是阻擋回射流，其位置是影響空化抑制效果的重要因素.對(duì)于8°攻角NACA0015水翼，在L=0.3C處布置仿生結(jié)構(gòu)一定程度上提升水翼升阻比，顯示出良好的水翼空化性能和水動(dòng)力性能.

2） 當(dāng)仿生結(jié)構(gòu)弦向位置、角度一定時(shí)，寬度為b=0.15δmax時(shí)對(duì)空化的抑制效果最優(yōu).若設(shè)置過(guò)大寬度的仿生結(jié)構(gòu)，使仿生結(jié)構(gòu)區(qū)域低壓區(qū)增加，誘導(dǎo)吸力面空化區(qū)進(jìn)一步增大，加劇空化.

3）" 仿生結(jié)構(gòu)的角度是影響空化抑制效果的又一重要參數(shù).研究發(fā)現(xiàn)，0°的仿生結(jié)構(gòu)對(duì)于側(cè)向回射流阻擋并不明顯，而角度的增加會(huì)提高升阻比，增大吸力面壓力，但也會(huì)由于分離渦的產(chǎn)生，使得空泡體積數(shù)增大，在研究的范圍內(nèi)，角度為14°的仿生結(jié)構(gòu)抑制空化效果最優(yōu).

4） 在適當(dāng)特征參數(shù)下設(shè)置仿生結(jié)構(gòu)，可以有效阻擋回射流，使得水翼表面低壓區(qū)減小，逆壓梯度減小.與原始水翼相比，回射流厚度和回射流強(qiáng)度明顯減弱，對(duì)前緣空化區(qū)沖擊減小，水翼表面的空化得到抑制.

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（責(zé)任編輯" 談國(guó)鵬）