空泡群溃灭的直接数值模拟及空化模型改进_张凌新

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考虑空泡界面相变作用的空化模型及应用

考虑空泡界面相变作用的空化模型及应用
王柏秋;王聪;黄海龙;董磊;张嘉钟
【期刊名称】《哈尔滨工业大学学报》
【年(卷),期】2013(045)001
【摘要】基于Rayleigh-Plesset方程,在考虑空泡界面上的相变作用后,导出了一个新的空化模型,并利用此模型模拟了次生空泡的发育与溃灭.新空化模型应用于半球头航行体的结果表明:由于次生空泡不断溃灭与发育,模型表面压力由较高的溃灭压力和较低的空泡压力交替分布;随着空化数的降低,主空泡逐渐变大,次生空泡区逐渐向模型尾部移动并脱落.
【总页数】5页(P30-34)
【作者】王柏秋;王聪;黄海龙;董磊;张嘉钟
【作者单位】哈尔滨工业大学航天学院,150001哈尔滨;哈尔滨工业大学航天学院,150001哈尔滨;北京宇航系统工程研究所,100076北京;哈尔滨工业大学土木学院,150090哈尔滨;中船重工第七0三研究所,150036哈尔滨;哈尔滨工业大学航天学院,150001哈尔滨
【正文语种】中文
【中图分类】O351
【相关文献】
1.堆载作用下考虑界面接触行为的桩-土相互作用分析 [J], 蒯行成;刘敦平;赵明华
2.马氏体—奥氏体界面电子态以及它们在马氏体相变过程中的作用 [J], 张金岷
3.生物组织低温作用下相变冻结界面研究 [J], 黄景祥;章忠敏
4.考虑当地流动特征的Zwart-Gerbera-Belamri空化模型改进及应用 [J], 胡俊;侯夏伊;于勇
5.考虑空泡及再加载效应的水下爆炸流固相互作用分析 [J], 汪俊;刘国振;刘建湖;潘建强;罗泽立
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基于改进伪势LBM的空泡溃灭建模

基于改进伪势LBM的空泡溃灭建模胡青晨;单鸣雷;朱昌平;殷澄;姚澄【摘要】为研究空化泡溃灭阶段的数值仿真,本文以格子Boltzmann方法为基础,采用改进作用力引进格式,对改变力学稳定性条件相关参数进行优化.通过最优参数提取,提高该多相格子Boltzmann模型密度比,从而最大程度保证热力学一致性及模型稳定性.并通过共存密度曲线对比及误差值计算,确定了参数的最优值.基于改进伪势格子Boltzmann模型对空泡溃灭进行建模,并将计算结果和实验结果对比,验证了空泡溃灭模型的有效性,对实际运用有一定的指导意义.【期刊名称】《应用声学》【年(卷),期】2016(035)006【总页数】7页(P480-486)【关键词】格子Boltzmann方法;伪势模型;热力学一致性;空泡溃灭【作者】胡青晨;单鸣雷;朱昌平;殷澄;姚澄【作者单位】河海大学常州市传感网与环境感知重点实验室并江苏省输配电装备技术重点实验室常州213022;河海大学常州市传感网与环境感知重点实验室并江苏省输配电装备技术重点实验室常州213022;江苏省“世界水谷”与水生态文明协同创新中心南京211100;河海大学常州市传感网与环境感知重点实验室并江苏省输配电装备技术重点实验室常州213022;江苏省“世界水谷”与水生态文明协同创新中心南京211100;河海大学常州市传感网与环境感知重点实验室并江苏省输配电装备技术重点实验室常州213022;江苏省“世界水谷”与水生态文明协同创新中心南京211100;河海大学常州市传感网与环境感知重点实验室并江苏省输配电装备技术重点实验室常州213022;江苏省“世界水谷”与水生态文明协同创新中心南京211100【正文语种】中文【中图分类】TB559;O426.4当液体内局部的压强比液体的饱和蒸气压低时，就会发生空化现象[1]。

空化时液体从液相变为气相，这种相变过程是瞬时、随机、多相的复杂现象。

空化泡快速溃灭瞬间，气泡周围液体快速冲入气泡，在气泡内部和周围形成局部高温高压，整个过程伴随着一系列的热效应、机械效应及化学效应[2-3]。

单空泡溃灭及其空化噪声的数值模拟

单空泡溃灭及其空化噪声的数值模拟
单空泡溃灭及其空化噪声的数值模拟
在满足对单空泡基本假设的前提下,根据单空泡运动方程建立溃灭时流体中的声辐射模型,并针对不同的初始半径,通过确定空泡溃灭过程和计算空泡噪声对模型进行数值计算.结果表明:随着空泡直径的增大、空泡溃灭的最小半径增大、溃灭时间延长、空泡的辐射声压增大,其为开展空化特征的提取提供了理论依据.
作者：聂建栋苏永生杨光明NIE Jian-dong SU Yong-sheng YANG Guang-ming 作者单位：聂建栋,杨光明,NIE Jian-dong,YANG Guang-ming(海军驻武昌造船厂,军事代表室,湖北,武汉,430060) 苏永生,SU Yong-sheng(海军工程大学,船舶与动力学院,湖北,武汉,430033)
刊名：兵工自动化ISTIC英文刊名：ORDNANCE INDUSTRY AUTOMATION 年，卷(期)：2009 28(9) 分类号：O427.5 JP391.9 关键词：单空泡空泡溃灭空化噪声仿真计算。

第5章空化与空蚀

当外压强降低时，空泡的半径只有缓慢的增加，而当达到M点后，在压强不再降低的情况下，空泡半径反而急速地膨胀，这就是空化的初生。因此。M点可认为是发生空化的临界点。将临界点相应的压强及空泡半径称为临界压强pe。及临界空泡半径Re。
3、球形空泡的稳定性如果扰动幅值随时间是衰减的，则空泡运动是稳定的，与此相反，如果扰动幅值随时间增长，则空泡运动是不稳定的。从定性上来看，表面张力并不影响空泡的稳定性。由此可以认为，在球形空泡的压缩过程中，只有当空泡尺度足够大时其运动才是稳定的；而当空泡尺度被压缩至足够小后，其扰动幅值将快速增长，从而导致空泡运动失稳。
（3）间隙空蚀。它是指水流通过狭窄间隙或绕过固体凹凸表面时，由于流速局部升高引起局部压力降低形成的空蚀。常发生在水轮机的某些局部位置，例如轴流式叶片外缘端面与转轮室内壁间隙，导叶立面和端面间隙；混流式转轮和上下冠止漏环间隙；冲击式的针阀和喷嘴口等处。间隙空蚀的破坏范围一般较小。
（4）其他局部脱流引起的空蚀。在水轮机导叶叶型头部和尾部，导叶体端部与轴经接合处的凸肩后面、限位销后面、尾水管补气架后面等部位，由于表面粗糙或已空蚀部位的恶性发展，都会引起局部脱流而发生空蚀。
3、空泡的溃灭空泡在溃灭的最后阶段其运动颇为复杂，但在其溃灭的初始阶段则可近似认为空泡仍呈球状，且其内爆过程是球对称的。 Knapp利用高速摄影测定空泡直径，其实验成果如下图所示。由于空泡的直径、压强是随时间变化的，为对比起见，图中还给出了空泡直径随溃灭时间变化的计算成果。由图中可知，两者基本一致，尤其是在空泡溃灭的初期。
(4)振荡空化振荡空化是一种无主流空化，其特点是一般发生在不流动的液体中。在这种空化中，造成空穴生长或溃灭的作用力是液体所受的一系列连续的高频压强脉动。这种高频压强脉动既可由潜没在液体中的物体表面振动(如磁致振荡仪)形成，也可由专门设计的传感器来实现，但高频压强脉动的幅值必须足够大，以至于局部液体中的压强低于临界压强，否则不会形成空化。振荡空化与前述三种空化的根本区别在于：前述三种空化中，一个液体单元仅通过空化区一次；而在振荡空化中，虽然有时也伴有连续的流动，但其流速非常低，以至于给定的液体单元经受了多次空化循环。

航行体出水过程空泡溃灭特性研究

航行体出水过程空泡溃灭特性研究近年来，航行体出水过程，也即水下飞控技术，作为水下技术的重要组成部分，在航行体的发展中发挥着不可替代的作用。

随着水下控制技术的发展，浮囊形成损耗在控制技术发展中，一直是水下技术发展领域无法回避的重要问题。

为了更好地解决浮囊形成损耗中的难题，研究发展了航行体出水过程空泡溃灭特性。

航行体出水过程是水下飞行技术的重要组成部分，尤其是在低阻力飞行运动中，它是实现低阻力飞行的主要技术手段，它可以通过减少流体的壁面摩擦耗散损耗，实现对航行体的控制和减少低速运动时流体阻力的作用。

然而，航行体出水过程最主要的问题之一是~~空泡溃灭损耗。

空泡溃灭损耗是指在航行体出水过程中，在介质中形成的运动涡流团很快地被压缩，造成的水动力损耗。

~~因此，研究开展了航行体出水过程空泡溃灭特性的对比研究。

研究发现，在航行体出水过程中，对空泡溃灭损耗的数值模拟表明，其主要因素是航行体的出水口的形状、出水口的大小、出水速度和水体的流速。

通过改变出水头的尺寸和形状，可以有效地减少空泡溃灭损耗，从而减少控制系统所面临的摩擦力和浮力，提高航行体在激流中的操纵性能和安全性。

此外，对不同流体在航行体出水过程中表现出不同空泡溃灭特性也进行了研究，发现不同流体在航行体出水过程中形成的空泡溃灭特性有明显的差异，其中水的空泡溃灭损耗最高，油的空泡溃灭损耗最低，因此油也可以被用于航行体出水头形成的空泡溃灭抑制材料。

最后，研究还发现，随着出水口与航行体之间的距离增加，空泡溃灭损耗也会随之减少，即航行体出水口形成的空泡越靠近航行体表面，空泡溃灭损耗就越高。

本研究的结果证明，航行体出水过程中空泡溃灭损耗的大小主要受出水口形状和大小、出水速度以及水体流速等因素的影响，同时也受到不同流体的影响。

因此，为了控制航行体出水过程中空泡溃灭损耗，可以改变出水口的形状和大小，并选择合适的流体，以达到最佳的效果。

本研究是一项关于航行体出水过程中空泡溃灭特性的研究，结果表明，出水口形状和大小以及出水速度和水体流速等因素对空泡溃灭损耗有很大影响，≤此，基于本研究结果，可以提出一些建议，以减少航行体出水过程中空泡溃灭损耗。

航行体出水过程空泡溃灭特性研究

航行体出水过程空泡溃灭特性研究近年来，航行体出水过程中的空泡溃灭特性研究已成为船舶推进性能和安全性的研究热点。

航行体的出水特性，决定了船舶的推进效率，而空泡溃灭过程则决定了航行体的动力学行为特性，从而影响船舶推进性能。

因此，研究航行体出水过程中的空泡溃灭特性是非常重要的。

空泡溃灭是指航行体出水过程中空气泡理论上从而阻碍流体流动而发生的瞬时溃灭现象，这一过程可以分为三个阶段：空气泡的形成、运动和溃灭。

空气泡的形成，受诸多因素的影响，其中水动力的影响是最重要的，包括航行体的出水分布和空气泡的建立速度。

空气泡的运动受质量和力的影响，航行体出水压力的变化在空气泡的运动中发挥着重要的作用。

在这一过程中，空气泡的拖拽力和重力加速度对空气泡的速度具有不同的影响。

空气泡溃灭是指在航行体出水过程中，空气泡在搅动作用下形成涡流流动，当涡流积聚到一定程度时，空气泡溃灭的现象就会出现。

在实际情况下，空气泡溃灭的过程也会受到流动的性质的影响，如流动的流速和流密度等。

综上所述，研究航行体出水过程中的空泡溃灭特性，有助于进一步了解航行体在出水时液体和空气泡之间的相互作用，更好地控制船舶推进性能。

为了深入研究空泡溃灭特性，先前的研究采用了不同的实验手段和数值模拟方法，取得了一定的研究成果。

首先，对于实验方法，一般采用模型试验方法来研究航行体出水过程中的空泡溃灭特性。

主要技术指标包括船舶模型的出水效果、空气泡的形成、运动和溃灭现象以及空气泡对航行体性能的影响等。

利用模型试验方法进行实验，可以获得空气泡形成、运动和溃灭现象的准确数据，从而对空泡溃灭特性进行准确的研究。

其次，对于数值模拟方法，也广泛的应用于航行体出水过程中的空泡溃灭特性研究中。

常用的数值模拟方法有全局涡模拟（GVM）和K-ε湍流模型，它们可以模拟空泡的形成、运动和溃灭等。

使用数值模拟方法，可以较为精确地预测航行体出水过程中的空泡溃灭特性，为航行体出水性能的优化提供有价值的参考。

空泡溃灭数值研究

4 4 σ e A ( T B - T ∞)Δt .
( 9)
空泡内部的温度变为 T i = T i- 1 + Δ T = κ A ( TB - T ∞) 1 Δt pB ΔV T i- 1 +
nCV d
空泡内部未冷凝气体分压力为
4 4 σ e A ( T B - T ∞)Δt .
空化空泡发育和溃灭过程的数值分析
卢义玉1 , 葛兆龙1 , 李晓红1 , 沈大富2 , 康勇1 , 陈久福2
( 重庆大学资源及环境科学学院 , 重庆 400044 ; 2. 重庆市松藻煤电有限责任公司 , 重庆 401445)
摘要 : 基于空化空泡发育和溃灭过程的热力学分析 ,综合考虑热传导和热辐射的影响 ,提出了一个新的用于数值分析空泡变化过程的数学模型 — — — 热传导2热辐射模型 . 结合 Runge2 Kutta2Fe2 hlberg 法 ,利用 3 个数值分析模型 ( 等温模型、绝热模型和热传导2热辐射模型) 求解了描述空泡发育和溃灭过程的 Rayleigh2Plesset 方程 , 并将数值计算结果与不同研究人员所得到的试验结果进行了比较 . 结果表明 : 热传导2热辐射模型可以以较高精度地数值模拟空化空泡的变化过程 , 其计算结果与试验结果吻合较好 . 关键词 : Rayleigh2Plesset 方程 ; 热传导2热辐射模型 ; 空泡 ; 数值分析中图分类号 : TB 126 文献标识码 : A 文章编号 :100021964 ( 2009) 0420582204
12种数值计算结果与文献15的试验结果的比较fig3comparisonoftimehistoriesofbubbleradiusofdifferentmodelswithexperimentaldataofliterature15yrt0r0则dtftrydt中可以看出在空泡的第一次收缩溃灭阶段3种分析方法计算的结果与试验结果非常吻合但是在空泡的再生发育阶段等温模型和绝热模型所计算出的结果与试验结果相差较大而热传左下角显示了第一次溃灭过程中空泡收缩到最小再生发育阶段3种分析方法计算结果在宏观上看起来是一致的但实际上是不同的

水利机械内空化、空泡和空腔的深入分析-水利水电论文-水利论文

水利机械内空化、空泡和空腔的深入分析-水利水电论文-水利论文——文章均为WORD文档，下载后可直接编辑使用亦可打印——引言水力机械的空化、空蚀和稳定运行问题历来是水力机械行业共同关注的基本问题。

经过近百年来的研究探索，特别是不锈钢等抗空蚀材料的大量采用，空蚀对水力机械的危害程度已有所减轻，水力因素导致的水力机械运行不稳定也得到一定扼制。

但是，当空化发生后，水中掺杂了空化气泡（以下简称空泡）或空化空腔（以下简称空腔），水流变成了气液两相流，使原来的单相流特性产生了很大的变化。

过去有许多概念和认识是建立在单相流基础上的，关于空化和压力脉动、压力脉动和空蚀等之间的关系及空泡和空腔在其中的作用等不是很清楚，甚至有部分错误的认识和理解，给深入研究和解决水力稳定性等问题带来一定影响。

本文拟从对空化、空泡和空腔的深入分析入手，解析它们对两相流条件下稳定性等带来的危害，以进一步理清它们之间的相互关系。

1 空化、空泡和空腔一般的气泡内部压力大多高于或接近于大气压，通常在水力机械模型试验时看到的游离气泡和部分附着在流道表面的气泡多属于该类气泡。

空泡则是指水体空化后产生的气泡，且空泡内的压力通常都低于空化压力。

空泡属于气泡，但不同于一般气泡，二者最大、最本质的区别在于内部压力是否低于空化压力。

当然，空泡内的主要成分是水蒸汽，氮气、氧气等空气中主要成份较少；而水中的游离气泡则不同，其主要成分是空气。

高压气泡在水中的存在方式由其压力属性决定，只能存在于其适合的压力区。

当其附着于叶片等流道表面时，可能随压力变化而改变尺寸大小，反而不易被裹夹进水流；只有当压力降低到负压甚至汽化压力之后，这些气泡才更容易被吸走，这也是空化试验前先抽真空并保持一段时间的原因之一。

那些游离于水中的高压气泡也不例外，其只能存在于高压区，即使偶尔被水流裹夹进低压区，一旦失去裹夹力的限制，其自然会漂移至高压区，这也是通常称其为游离气泡的原因。

许多水电站试图用补气的方式消除压力脉动没有成功，大多是因为补气位置选择不当，补气点压力高，补入的高压空气和游离气泡一样向高压区漂移，大部分空气没有进入低压空腔，因此起不到降低压力脉动作用。

水下航行体通气空泡溃灭特性研究

水下航行体通气空泡溃灭特性研究张孝石;王聪;魏英杰;孙铁志【摘要】通过水洞实验对水下通气航行体通气空泡进行实验研究,分析航行体通气空泡通气停止后空泡行为.为了研究通气空泡溃灭过程的脉动特性,通过高速摄像和动态测力系统测量航行体表面空泡演变过程和压力交化情况.实验结果表明:脱落空泡运动过程中,其形状变化可分为空泡凹陷、空泡断裂、空泡脱落和溃灭4个阶段.脱落空泡在近模型壁面发生溃灭时,通过表面压力传感器捕捉到空泡的溃灭压力.对空泡渍灭压力实验结果与基于空泡生长和溃灭理论的计算结果进行了对比,理论结果与实验结果具有较好的一致性.【期刊名称】《兵工学报》【年(卷),期】2016(037)012【总页数】7页(P2324-2330)【关键词】流体力学;水下航行体;水洞实验;空泡脱落;空泡溃灭【作者】张孝石;王聪;魏英杰;孙铁志【作者单位】哈尔滨工业大学航天学院,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工业大学航天学院,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工业大学航天学院,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工业大学航天学院,黑龙江哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】TV131.3+2水下航行体在高速运动过程中，当航行体周围的环境压力低于饱和蒸汽压时，航行体周围会产生明显的空化现象。

空化产生的空泡发生断裂、脱落和溃灭，导致航行体表面有较大压力波动，影响航行体周围流场的稳定性，在出水过程中由于空泡的溃灭也会形成较大载荷。

向空泡内人工通气不仅可以降低空化数、增加泡内压力而且可以提高空泡的稳定性，人工通气已经成为一项调节空化流场不稳定性的重要方法与技术。

国内外对于空化问题进行了大量实验研究。

Reichardt[1]于1946年首次提出通过人工通气的方法生成超空泡，后来的通气空泡研究都是基于此思想。

Silberman 等[2]通过实验研究了通气空泡的振荡规律，得到了通气量与空泡形态和泡内压力之间的关系。

Wang等[3]通过实验和数值仿真研究了航行体通气云状空化，结果表明受到空泡末端的逆压梯度影响，在回射流影响下，通气云状空化经历了断裂、脱落和溃灭等现象，并对其机理进行了分析。

固壁面附近空化泡溃灭过程的数值模拟

王效贵，罗冲。顾桢标
（浙江工业大学机械工程学院，浙江杭州３１００１４）
摘要：通过数值模拟研究空化泡与固壁的距离（ｙ）、空化泡大小和环境围压对单个空化泡溃灭的影
响．结果表明：随着空化泡与壁面的间距减小，空化泡的非对称变形越来越明显，从形成射流到最终
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｄｉｓｔａｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｃａｖｉｔａｔｉｏｎｂｕｂｂｌｅａｎｄｔｈｅｒｉｇｉｄｗａｌｌ（），），ｔｈｅｓｉｚｅｏｆ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃａｖｉｔａｔｉｏｎｂｕｂｂｌｅ；ｃｏｌｌａｐｓｅ；ｊｅｔｖｅｌｏｃｉｔｙ；ａｍｂｉｅｎｔｐｒｅｓｓｕｒｅ；ｎｕｍｅｒｉｃａ１ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
ＷＡＮＧＸｉａｏｇｕｉ，ＬＵＯＣｈｏｎｇ，ＧＵＺｈｅｎｂｉａｏ
（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＺｈｅｊｉａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ３］００１４，Ｃｈｉｎａ）
关键词：空化泡；溃灭；射流速度类号：０３５９．１

自由场空泡溃灭过程能量转化机制研究

中图分类号:0352 文献标识码：A doi: 10.6052/0459-1879-21-006
ENERGY TRANSFORMATION MECHANISM OF A GAS BUBBLE COLLAPSE IN THE FREE-FIELD l)
Han Lei Zhang Mindi2) Huang Guohao Huang Biao3)
^Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)
Abstract Both the experiment method and numerical simulation method are applied in this paper to investigate the energy transformation mechanism of a gas bubble collapseing in the free field.The bubble radius,velocity and acceleration of the bubble evolution process are obtained according to the experimental results via the schlieren method.These parameters are substituted into the bubble potential energy and kinetic energy equation to explain the energy changing.By using the CFD simulation method,a three-dimensional model with reformulated mass conservation equation and momentum equation considering the weakly compressibility,is introduced to discuss the bubble collapse process. The pressure and velocity distribution around the bubble are extracted from the simulation results in order to analyze the energy transformation mechanism. The results show that (i) the relation between the potential energy and bubble radius maintains the positive correlation,with the increasing of the potential energy,the kinetic energy decreases significantly.The value of potential

空化可压缩流动空穴溃灭激波特性研究

空化可压缩流动空穴溃灭激波特性研究王畅畅;王国玉;黄彪【摘要】为深入研究空化可压缩流动中空泡/空泡团溃灭过程中激波产生、传播及其与空穴相互作用规律,本文采用数值模拟方法对空化可压缩流动空穴溃灭激波特性展开了研究.数值计算基于OpenFOAM开源程序,综合考虑蒸汽相和液相的压缩性,通过在原无相变两相可压缩求解器的控制方程中耦合模拟空化汽液相间质量交换的源项,实现了对空化流动的非定常可压缩计算.利用上述考虑汽/液相可压缩性的空化流动求解器,对周期性云状空化流动进行了数值模拟,并重点研究了空穴溃灭激波特性.结果表明:上述数值计算方法可以准确捕捉到空穴非定常演化过程及大尺度脱落空泡云团溃灭激波现象,大尺度脱落空泡云团溃灭过程分为3个阶段:(1)U型空泡团形成;(2)U型空泡团头部溃灭;(3)U型空泡团腿部溃灭.在U型空泡团腿部溃灭瞬间,观察到激波产生,并向上游和下游传播,向上游传播的激波与空穴相互作用,导致水翼吸力面新生的附着型片状空穴回缩,直至完全溃灭.并且空穴溃灭激波存在回弹现象,抑制了下一周期的空化发展.【期刊名称】《力学学报》【年(卷),期】2018(050)005【总页数】13页(P990-1002)【关键词】空化;压缩性;激波;声速;空穴溃灭;激波与空穴相互作用【作者】王畅畅;王国玉;黄彪【作者单位】北京理工大学机械与车辆学院,北京100081;北京理工大学机械与车辆学院,北京100081;北京理工大学机械与车辆学院,北京100081【正文语种】中文【中图分类】O352引言空化发生于高速水流中的低压区域,不同于蒸发、沸腾等由热力学因素驱动的近似定压相变过程,空化是由水动力学因素驱动的近似恒温相变过程,从力学角度来看,空化是应力作用下的一种液体介质连续性的断裂,是液体的一种力学破坏形式[1].空化流动是包含相变、多相湍流、非定常性和可压缩性等几乎所有复杂物理现象的多相复杂流动[2-4].近年来,实验表明,附着型空穴断裂及空泡脱落存在回射流机制和激波机制,其中激波机制与空穴溃灭激波密切相关,激波的产生及传播是空化不稳定性和材料破坏的重要来源[5-10],空穴溃灭过程与空化流动中汽相、液相及其混相介质压缩性密切相关[11-12].附着型空穴断裂及空泡脱落过程,尤其是大尺度脱落空泡云团溃灭,会造成剧烈的压力脉动、强烈的振动、激烈的噪声和严重的材料空蚀破坏,涉及到水力机械、水中兵器、水下发射、航空航天等多个工程领域中面临的核心关键技术问题的解决[13-16].空化可压缩性的早期研究集中在水体中空泡溃灭行为的理论计算,研究发现,在空泡溃灭阶段(R<(0.02∼0.04)Rmax),空泡壁的运动速度会超过水体音速,甚至达到2.2个马赫数,水体的压缩性对空泡溃灭末期具有重要影响[17-18].另一方面,多相介质中声速的理论研究发现,气液混合物中声速会显著降低,远低于单一纯气体/纯液体的声速[19-20],甚至低至几米每秒.Shamsborhan等[21]采用压力传感器和光学探针对空化流动中声速进行了实验测量,实验结果表明,空化流动中声速可低至10 m/s 以下,测量到的马赫数可达到1.2,证实了空化是具有高度压缩性的音速/超音速流动.Leroux等[6]采用压力传感器对绕水翼空化流动不稳定性进行了实验研究,研究发现,当空穴长度大于一半水翼弦长时,压力脉动增加,空化不稳定性加剧,并且斯特劳哈尔数显著降低,进一步的研究发现,大尺度空泡云团溃灭激波现象是空化不稳定性的重要来源.尽管理论和试验从不同侧面揭示了空化流动可压缩特性及其与空化不稳定的关系[22-23],然而由于空化流动是非均匀非稳态的复杂多相流动,剧烈瞬态相变与高度压缩性的耦合使得空化流动的物理机理更为复杂,为了更加深刻全面地认识可压缩空化流动特性,尤其是空泡/空泡团溃灭激波特性,开展可压缩空化流动的数值模拟研究具有重要科学意义.目前,空化流动的数值计算研究多基于不可压缩两相Navier-Stokes(N-S)方程组的求解,在计算中将汽相和液相密度视为定值,不可压缩的计算方法可以对如附着型空穴断裂、脱落,空穴尾部回射流产生及其推进等非定常过程进行很好的捕捉,被广泛应用于绕水翼、回转体、文丘里管内空化流动研究[24-26].然而,空化激波动力学特性研究,如空穴溃灭激波产生及其传播特性以及导致材料空蚀破坏的高幅值压力的捕捉,必须采用综合考虑汽相和液相可压缩性的计算方法.Kunz等[27]采用预处理策略,基于人工压缩性方法,对绕回转体片状和云状空化流动进行了计算,数值结果与实验吻合良好,并且发现,考虑可压缩性有助于对空化动力特性的更好捕捉,然而由于其算法没有考虑介质物理压缩性,无法对激波动力学进行研究.Saito等[28]基于有限体积法求解可压缩两相N-S方程对绕NACA0015水翼空化流动进行了数值研究,其中液相采用Tamman状态方程、汽相采用理想气体状态方程进行热力学闭合,捕捉到了云状空化U型脱落空泡云团.Schnerr等[29]采用修正的黎曼方法求解了介质状态方程闭合的可压缩空化流动控制方程,采用纳秒尺度的时间步长,捕捉到绕扭曲NACA0009水翼空化流动中高达230 bar(23 MPa)的空穴溃灭高压.在可压缩空化流动算法上,Gnanaskandan和Mahesh[30]发展了预测—修正的方法求解两相可压缩N-S方程,在预测步采用无耗散对称算法,在修正步采用基于特征截断的二阶TVD算法,采用动态大涡模拟方法对收缩扩张流道内片状/云状空化转捩进行了可压缩计算,捕捉到空穴溃灭产生的周期性压力波现象.为提高计算效率,Egerer等[31]发展了基于4个网格单元的离散方式、耦合显式大涡模拟的可压缩空化流动计算方法,对空泡及空泡团溃灭现象和空化湍流混合层进行了计算,表现出较高的准确性.OpenFOAM作为大型开源软件,具有良好的扩展性,并且自身含有空化流动不可压缩求解器,逐渐被应用于空化流动的数值模拟研究中[32,33].Wang等[11]基于OpenFOAM开源软件平台,通过在空化流动求解中求解能量方程,并引入水相和汽相的状态方程,对绕NACA66水翼云状空化流动进行了数值模拟研究,准确捕捉到了空穴溃灭诱导激波现象,并进一步发现,相对于回射流过程,激波产生、传播过程会诱导高幅值压力脉冲,剧烈的空穴体积脉动,是空化不稳定性的重要来源,然而,关于空穴溃灭激波动力学特性尚需进一步的深入研究.本文以OpenFOAM软件中两相可压缩求解器为基础,通过在该求解器的控制方程中(相方程和压力方程)耦合模拟汽液相间质量交换过程的空化源项[11],实现了对空化可压缩非定常流动的数值计算.在此基础上,利用该可压缩空化流动求解器,对周期性云状空化流动进行了数值计算,并重点分析了溃灭激波特性.本文的研究目的在于:(1)发展了基于OpenFOAM软件的可压缩空化流动数值计算方法;(2)基于可压缩空化流动数值计算方法对周期性云状空化流动进行了数值模拟,并重点分析了空穴溃灭激波产生、传播特性及其与空穴相互作用规律.1 计算模型1.1 控制方程在空化流动数值模拟中,汽/液混合物被认为是均相流体介质,计算中采用均质平衡流假设,可压缩质量守恒方程、动量方程、能量方程以及含汽率输运方程分别为其中,ρ,U,e,K和α分别代表密度、速度、内能、动能和含汽率,∇U,∇·U,∇⊗U分别代表梯度、散度和旋度;µ,κ,Cp分别为介质黏性、热导率和定压比热容,I为单位张量;σ=0.0728为表面张力,Ur为相间速度,+和−分别为蒸汽蒸发速率和凝结速率,由空化模型给出;由均相流假设T=Tm=Tv=Tl,u=um=uv=ul,p=pm=pv=pl,下标m,l,v表示汽/液混相介质、液相和汽相,i,j,k表示坐标轴方向.1.2 蒸汽和水的热力学状态方程控制方程组采用介质热力学状态方程闭合,水蒸汽采用理想气体状态方程其中,Rv为蒸汽的气体常数,取Rv=461.6 J/(kg·K).水采用Tait形式的状态方程[34]其中,B=3.06×108,N=7.1,根据美国国家标准和技术机构(NIST)数据,水的饱和蒸汽压力和饱和密度取20°C 参数,pl,sat=2338,ρl,sat=998.16 kg/m3.1.3 空化模型和湍流模型Saito空化模型[28]是基于平板蒸发/凝结理论[35]发展而来的输运方程形式的空化模型,蒸汽生成速率和凝结速率表示为其中,αv为蒸汽相体积分数,ρl为液相密度,ρv为蒸汽相密度,Rv为蒸汽气体常数,T 为温度,pv是饱和蒸汽压力,p为当地静压,Cc是当地静压大于饱和蒸汽压力时蒸汽凝结速率,Ce为当地压力低于饱和蒸汽压力时蒸汽生成速率,在本文工作中,采用Cc=Ce=0.1[28].饱和蒸汽压力采用温度函数,由经验公式[36]给出其中,θ=1−T/Tc,下标“c”表示临界状态参数,对于水,pc=22.064 MPa,ρc=322 kg/m3,Tc=647.14 K.湍流模型采用耦合RANS/LES混合模型SSTSAS湍流模型[37],该模型采用基于当地流场速度的von Karman长度尺度作为湍流模型的耦合尺度,而不是使用LES的基于网格的滤波尺度,该尺度在流动稳定时远大于流动不稳定时,具有根据当地流场结构调节当地耗散的能力,并且该长度引入了速度导数,可以反映一定的湍流输运效应,因此可以改善湍流模型的预测精度.k和ω的输运方程如下所示其中Pk= −τij∂Ui/∂xj是湍动能生成项,CDkω =∂k/∂xj·∂ω/∂xj是湍动能交叉耗散项,µT= α1k/max和F2是混合函数,QSAS项为1.4 计算方法及无量纲数定义本文数值模拟采用基于有限体积法的Open-FOAM[38]开源软件,采用VOF方法捕捉汽液相界面,本文发展的可压缩空化流动数值计算方法是在OpenFOAM−4.0下的两相可压缩流动求解器基础上,通过在可压缩相输运方程和可压缩压力方程中耦合模拟空化流动的相间质量交换源项发展而来,本文对可压缩空化流动相输运方程及可压缩空化流动压力方程进行了详细推导见附录.关于OpenFOAM基于压力的多相数值方法的详细数值算法参考文献[39],其中求解的可压缩空化流动相输运方程如下该方程左边第三项为采用Weller提出人工对流压缩项,以避免数值耗散带来的相界面模糊性,Ur为模化的相间相对速度,在OpenFOAM开源软件中,为了降低相界面附近的相分数的数值耗散,该方程采用MULES求解器求解.可压缩空化流动压力方程如下其中为液相和汽相可压缩性.本文采用的无量纲参数定义如下空化数:σ =(p− pv)/(0.5ρlU2)雷诺数:Re=Uc/ν斯特劳哈尔数:St=fc/U其中,U为来流速度,ρl为液体密度,pv为饱和蒸汽压力,p为环境压力,c为水翼弦长,ν为运动黏度系数,f为空穴脱落周期.1.5 计算网格及边界条件设置本文对绕NACA66水翼的非定常云状空化流动进行了计算,Leroux等[6]对该水翼进行了系列的实验研究,发现在6°攻角下,绕NACA66水翼云状空化流动呈现以空穴溃灭激波占主导的非定常流动特点,本文对该工况进行了数值模拟研究.三维几何模型如图1(a)所示,水翼攻角为6°,几何模型、计算域的尺寸与实验[6]保持一致,弦长c=0.150 m.计算区域的入口距翼型前缘约为2 c,出口距翼型尾缘为5 c,上下壁面距离为1.14 c,为节省计算资源,本文采用0.3 c作为展向长度,该处理方式由Sagaut[40]提出,已在空化流动中得到应用[41].三维结构化网格如图1(b)所示,对近壁面网格进行加密,保证y+61,展向布置80个网格节点,网格总数为250万.流动介质参数与20°水和水蒸汽保持一致,边界条件与实验保持一致,如图1(a)所示,入口速度大小为U=5.33 m/s,Re=0.8×106.出口采用压力边界条件,为避免压力在进出口反射,进出口均采用无反射边界条件.同时根据调节不同出口压力来控制流场空化数σ=1.25,需要注意的是,在实验中,空化数的计算依据进口压力,在本文数值模拟中,通过调节出口压力使进口压力保持稳定在实验水平.在可压缩空化流动计算中,时间步长的选择非常重要,依据OpenFOAM软件多相流算法对库朗数的要求,本文时间步长的选择满足maxCo 60.4,以保证数值计算的稳定性.图1 计算域及网格划分Fig.1 Computational domain and mesh details图2给出了计算所得的水翼升阻力系数演化,可以看出,升阻力呈现周期性的脉动变化,周期为Tref=284.1 ms,频率为 f=3.52 Hz,则基于水翼弦长的斯特劳哈尔数为St=fc/U=0.099,已知实验所得该工况下斯特劳哈尔数为St=0.102,本文计算误差为2.9%,与实验结果吻合良好,很好地捕捉到了云状空化流动的周期性.图3给出了水翼吸力面尾部0.5 c和0.7 c位置处计算所得压力波动与实验测量数据的对比,可以看出,计算结果很好地模拟了空穴演化诱导压力周期性波动特点,并且捕捉到了空穴溃灭激波产生的压力峰值,同时,数值计算压力值与实验存在差异,这是由于翼型吸力面上压力分布受空泡覆盖影响严重,在空泡覆盖区呈现低压力值,由于空泡的非定常效应和三维效应,而导致与实验测量结果的偏差.图2 水翼非定常升阻力系数演化Fig.2 Time evolution of force coefficient characteristics图3 水翼吸力面0.5 c和0.7 c处计算所得压力波动与文献[6]实验数据对比Fig.3 Comparisons of absolute pressure evolution on foil suction side at x/c=0.5 and 0.7,respectively,between the present numerical results and experiment data[6]2 结果分析2.1 非定常空穴结构演化过程分析空化流动具有高度的非定常特性,空穴结构的演化呈现出准周期性的特点.从Leroux 等[6]的实验结果已知,不同于回射流主导的云状空化非定常流动,绕6°攻角NACA66水翼云状空化流动呈现出脱落空泡云团溃灭后、新生附着型空穴回缩再生长的非定常流动特征.图4给出了数值计算所得的绕NACA66水翼在约一个空化周期内空穴结构演化过程与Leroux等[6]的实验结果的对比.从图中可以看出,本文采用的可压缩数值模拟方法很好地捕捉到了空穴的非定常演化过程,尤其是伴随着大尺度空泡云团脱落、溃灭过程,新生附着型空穴的生长、回缩过程.图中,流动方向为从右向左,如时刻(a)中箭头所示,相邻时刻间隔为0.14 Tref,时刻(e)和(f)中为回射流推进过程,图5给出了翼型中截面位置水翼前缘含汽率和流线分布,时刻(g),(h)和(i)中黄色虚线表示附着型空穴尾缘位置,带箭头红色直线表示附着型空穴长度.下面将针对该工况下云状空化流动典型非定常空穴结构演化进行详细分析.绕6°攻角NACA66水翼云状空化流动典型非定常演化过程可以分为4个阶段:(1)附着型空穴生长阶段(a)∼(d),(i);(2)回射流推进及附着型空穴断裂阶段(e),(f);(3)大尺度空泡云团脱落及新生附着型空穴生长阶段(g);(4)大尺度空泡云团溃灭及新生附着型空穴回缩阶段(h).在附着型空穴生长阶段(a)∼(d),(i),附着型空穴产生于水翼前缘(a),紧贴翼型吸力面,向下游生长(b)∼(d),(i),可以观察到,附着型空穴尾部呈现剧烈波动的特点,非定常效应较为明显.在空穴发展第二阶段(e),(f),随着附着型空穴的发展,当空穴生长到一定长度时,在空穴底部会产生向上游运动的流动,即回射流,该回射流主要由液体组成,在运动过程中会夹带当地蒸汽.当该反向流动运动到空穴前缘与空穴界面相互作用,会导致附着型空穴的断裂,断裂的空穴被抬升在主流的作用下,卷起形成脱落空泡云团向下游运动.在空穴发展第三阶段(g),伴随着大尺度空泡云团向下游输运,处于低压区的水翼前缘生长出新的附着型空穴.在空穴发展第四阶段(h),大尺度脱落空泡云团被输运到下游高压区,在内外压差的作用下溃灭,同时,观察到新生附着型空穴出现回缩现象(h).由上述观察可以看出,大尺度脱落空泡云团溃灭后,新生附着型空穴回缩过程抑制了下一周期空穴的发展,延长了空穴发展周期.图4 绕NACA66水翼非定常云状空穴结构演化过程(实验:文献[6]),时间间隔为0.14 Tref,含汽率等值面为αv=0.15Fig.4 Comparisons of the nu merically predicted vapor fraction(αv=0.15)and experimentally observed cavitation pattern[6]around a NACA66 hydrofoil.The time interval between two consecutive images is 0.14 Tref图5 回射流推进过程水翼中截面位置含汽率和流线分布(图(a)和图(b)分别对应图4中时刻(e)和(f)Fig.5 Vapor fraction contour along with streamlines on foilmid-plane during the re-entrant flow development process.(a)is for the instance of Fig.4(e)and(b)Fig.4(f)2.2 大尺度脱落空泡云团溃灭激波动力学分析2.2.1 大尺度脱落空泡云团溃灭过程在非定常云状空化流动中,大尺度脱落空泡云团具有强大的能量,是空化不稳定性的主要来源,为深入分析脱落空泡云团行为,图6给出了大尺度空泡云团脱落及溃灭过程中空穴结构和翼型表面及侧面的压力分布演化.从图中可以看出,大尺度空泡云团脱落、溃灭过程分为三个典型阶段:(1)大尺度空泡云团向下游输运并形成U型空穴结构(0.625 Tref∼0.686 Tref),(2)U型空穴结构向下游输运,U型空穴结构头部溃灭(0.711 Tref∼0.718Tref),(3)U型空穴结构腿部溃灭(0.738 Tref∼0.748 Tref),在空穴完全溃灭的瞬间,观察到以溃灭点为中心的高压区域,即激产生.同时,伴随着大尺度空泡云团的脱落过程,翼型前缘的新生附着型空穴逐渐生长,至空穴溃灭时刻(0.748 Tref),新生附着型空穴长度达到0.45 c.图6 大尺度空泡云团脱落溃灭过程空穴结构(含汽率等值面:αv=0.15)及压力分布Fig.6 Bird view of predicted isosurface of vapor fraction αv=0.15 and absolute pressure contour on the foil surface and side plane in the process of large scale cloud cavity collapse2.2.2 空穴溃灭激波传播过程及其动力学分析为分析空穴溃灭激波传播规律,图7给出了空泡云团溃灭激波产生、传播及其回弹过程空穴结构(αv=0.15)和压力演化,并给出了极低含气率结构(αv=0.01).从压力云图中可以看出,激波传播过程分为第一次溃灭激波传播和两次回弹,并且激波能量逐次衰减.在第一次激波传播过程中,随着激波前缘的推进,高压区逐渐覆盖翼型吸力面,当激波前缘接触新生附着型空穴,将导致空穴溃灭,伴随着激波前缘的推进,新生附着型空穴呈现回缩现象(0.757 Tref),直至高压区完全覆盖翼型,当激波传播过后,在来流的作用下,翼型表面出现低压区,并且低压区逐渐扩大,翼型吸力面出现零星随机蒸汽空穴(0.778 Tref).结合极低含汽率分布,可以看出,在激波产生传播过程中,极低含汽率受激波作用产生溃灭,但是激波并未造成蒸汽完全溃灭(0.757 Tref),空化区域存在极低含汽率,并向下游输运.激波过后,极低含气率体积增大(0.778 Tref).当极低含汽率输运到下游高压区,出现再次溃灭行为(0.877 Tref),在空穴溃灭激波传播过后的第一次回弹过程,高压区逐渐覆盖翼型吸力面,低压区消失(0.820 Tref),翼型吸力面蒸汽空穴再次溃灭(0.820 Tref),同时可以看出相比第一次激波传播时强度,回弹激波强度已大大衰减.在第一次回弹过后,低压区再次从翼型吸力面前缘开始向下游扩展,同时伴随着低压区的扩大,附着型空穴开始生长(0.856 Tref).第一次回弹过后,极低含汽率结构体积增大(0.856 Tref),当其运动到下游,紧接着存在第二次溃灭行为即第二次回弹,在激波传播过后的第二次回弹过程,此时回弹激波能量已非常小,回弹激波的传播仅带来翼型吸力面压力的小幅度增(0.877 Tref),加,并且不能使翼型前缘附着型空穴溃灭,但是可以观察到,激波回弹过程与极低含气率结构密切相关,同时,回弹激波抑制了附着型空穴生长速度(0.877 Tref),二次回弹激波过后,附着型空穴开始生长(0.891 Tref,0.898 Tref),开始新的空化周期.图7 大尺度空泡云团溃灭激波传播及其回弹过程空穴结构(含汽率等值面,上:αv=0.15,下:αv=0.01)和压力分布演化Fig.7 Bird view of predicted isosurface of vapor fraction(up:αv=0.15,down:αv=0.01)and absolute pressure contour on the foil surface and side plane in the process of cloud cavity collapse induced shock wave generation and rebound图7 大尺度空泡云团溃灭激波传播及其回弹过程空穴结构(含汽率等值面,上:αv=0.15,下:αv=0.01)和压力分布演化(续)Fig.7 Bird view of predicted isosurface of vapor fraction(up:αv=0.15,down:αv=0.01)and absolute pressure contour on the foil surface and side plane in the process of cloudcavity collapse induced shock wave generation and rebound(continued)为定量分析空穴溃灭激波传播及其回弹过程压力波动特性,图8给出了大尺度空泡云团溃灭激波传播及回弹过程中压力波动及激波传播速度.其中图8(a)中标号分别对应图7中时刻.其中压力波动监测点分别位于水翼吸力面0.2 c,0.8 c和水翼尾部下游1.4 c位置处,激波传播速度由压力峰值时刻差得到.从图8(a)中可以看出,激波由水翼尾部下游空穴溃灭位置向水翼前缘传播,在激波从下游向水翼前缘传播过程中,激波能量不断衰减,且1.4 c至0.8 c路径之间激波衰减幅度小于0.8 c至0.2 c,结合图7新生附着型空穴主要分布在0.2 c至0.8 c,可以推断空穴会增加激波衰减幅度.同时,随着激波回弹,回弹激波能量也在不断减弱,激波前缘宽度增加同时当地压力爬升速度减缓.激波传播、一次回弹和二次回弹过程中激波传播速度逐渐增加,考虑到激波传播速度与当地含汽率密切相关[2],随着激波的传播及多次回弹,流场中含汽率不断减小,当地声速增加,进而导致激波传播速度的增加.为定量分析流场中含汽率、压力及理论声速分布规律,图9给出了激波传播和回弹过程不同位置处平均含汽率、Wallis声速和平均压力分布,从图中可以看出,水翼下游距空穴溃灭中心最近处(1.4 c)平均压力最大,距空穴溃灭中心最远处水翼前缘(0.2 c)平均压力最小,且1.4 c至0.8 c路径中平均压力降幅小于0.8 c至0.2 c路径,证明了激波传播过程中能量衰减特性及空穴对激波衰减的增强作用.同时,根据平均含汽率预测了Wallis声速,该声速值与图8(b)由压力峰值计算得到的激波传播速度处于同一量级,说明了可压缩空化流动中激波传播速度与当地含汽率密切相关.图8 (a)大尺度空泡云团溃灭激波传播及其回弹过程压力波动,(b)大尺度空泡云团溃灭激波传播及其两次回弹过程中激波传播速度(水翼表面0.2 c、0.8 c和水翼尾部下游1.4 c).标号对应图7中时刻Fig.8 (a)Absolute pressure evolution on foil suction side at x/c=0.2,0.8 and 1.4,and(b)the shock wave speed during the large scale cloud cavity collapse induced shock wave generation andrebound.The symbols indicate the instances in Fig.7图9 空穴溃灭激波传播及回弹过程中水翼吸力面及尾部下游不同位置处平均含汽率、Wallis声速和平均压力分布Fig.9 Average vapor fraction distribution,Wallis sound speed and average absolute pressure during the cloud cavity collapse induced shock wave propagation and rebound process为进一步分析激波与空穴相互作用规律,本文基于连续性方程和动量方程对激波前后流动参数进行了分析,如图10所示.由连续性方程和动量方程其中,ρ为密度,u为速度,p为压力,下标1代表激波前参数,下标2代表激波后参数,如图9所示,得到激波推进速度又由ρi≈ ρL(1− αi)得式(21)给出了激波推进速度与波前、波后流动参数之间的关系.图11给出了激波与空穴相互作用过程中空穴形态与翼型表面和侧面压力分布,翼型中截面含汽率云图和压力云图,可以观察到随着激波前缘的推进,新生附着型空穴出现回缩现象,激波过后,压力增加,含汽率减小.图12定量给出了水翼表面压力和含汽率分布,通过压力波动峰值计算得到激波在空穴内部传播速度分别为34.9 m/s和37.7 m/s.通过提取水翼表面0.07 c至0.2 c之间激波过后压力及含汽率变化数据,将激波前后压力及含汽率数据代入式(21),得到根据激波动力学预测的激波在附着型空穴内的推进速度,如图13所示,并且附着型空穴内部激波平均传播速度为36.3 m/s,与由压力峰值得到的速度基本一致.激波前后流动参数的跳跃关系进一步说明了空穴溃灭诱导的激波特性.。

Fluent环境中近壁面微空泡溃灭的仿真计算

Fluent环境中近壁面微空泡溃灭的仿真计算近壁面微空泡溃灭的仿真计算摘要：近壁面微空泡的溃灭是多种流体现象的关键过程。

在本文中，我们基于Fluent计算流体动力学软件，在二维平面上模拟了微空泡的溃灭过程。

我们使用了不同的初始泡半径和初始气体体积分数，并评估了影响溃灭过程的各种参数。

我们的结果表明，微空泡的溃灭时间主要取决于初始泡半径和液体粘度。

溃灭过程中形成的波浪和气膜对溃灭时间和液体动力学性质有显著影响。

关键词：近壁面微空泡，溃灭，Fluent，计算流体动力学，液体粘度，泡半径，气膜引言：近壁面微空泡的溃灭是许多流体现象的关键过程，例如气液两相流、沉积物输送和蒸发加热。

大量研究表明，微空泡的特殊性质使其在流体动力学和热传导学方面具有广泛的应用。

但是，溃灭过程仍然是微空泡研究中的热点问题，并且对于实际应用而言仍然有许多未知因素。

计算流体动力学在研究流体现象方面具有广泛应用，因此在微空泡研究中使用FLUENT进行仿真计算的研究也越来越受到关注。

本文的目的在于研究Fluent环境下近壁面微空泡的溃灭过程，并评估影响溃灭过程的各种参数。

我们在二维平面上建立了微空泡的模型，在溃灭过程中记录了不同的变量，例如溃灭时间、气膜形成、波浪的影响等，并对结果进行了分析和讨论。

建模与方法：我们使用Fluent软件建立了一个二维平面微空泡模型，并设置良好的网格划分以确保结果准确性。

对于沿壁运动的微空泡，我们设置不同的初始泡半径和初始气体体积分数，并采用标准的计算流体动力学模型进行数值模拟。

液体为水，凝固温度为273.15K，沸点温度为373.15K，动力黏度为10^-5 m^2/s，流量速度为0.1 m/s。

初始气体体积分数为0.01，0.05和0.1，初始泡半径为5μm，10μm和20μm。

在溃灭过程中，我们记录了液体速度、液体压力、质量通量和气膜的变化，并通过可视化工具来展示结果。

结果与讨论：我们的结果表明，微空泡的溃灭时间主要取决于初始泡半径和液体粘度。

空泡的溃灭（1）

空泡的溃灭（1）地震地热说原理：知识库13空泡的溃灭(1)本文节译自《CAVITATION AND BUBBLE DYNAMICS》by Christopher Earls Brennen © Oxford University Press 1995。

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谢谢原作者，也谢谢张宇宁先生推荐。

Seisman 2011.8.6 记3.1 前言前面的章节提出了一些空泡动力学的方程并在空泡生长方面得到应用，本章将继续讨论空泡动力学问题，但着重溃灭动力学，特别是考虑蒸气填充的空化气泡猛烈崩溃的后果。

3.2 空泡溃灭空泡的溃灭是一个特别重要的课题，因为可能由溃灭导致的高速，高压和高温会造成噪音和物质损坏。

2.4节的分析中所允许的速度，压力和温度（方程2.36，2.38，2.39），是在假定空泡保持球形的参数以内近似估计的。

3.5节中将会看到，溃灭的空泡并不能保持球形。

此外，在第7章我们还会看到，在空泡流中出现的泡沫往往远非球形。

然而，从压力，温度，噪音，或潜在的损害方面来说，球形分析可以给出空泡溃灭可能产生的最大后果。

非球形的情形可以弥漫溃灭的焦点，减少可能造成的最大压力和温度。

当从一个小的空泡核生长到其原始大小的好多倍时，溃灭将在最大半径R M 和气体分压P GM 下开始。

气体分压其实是很小的。

典型的空泡流中R M 大约是原始尺寸R O 的100 倍。

因此，如果在空泡核内原有的气体分压是1巴，则处于崩溃的开始P GM 的值约为10-6 巴。

如果典型流的压力不高，（P∞*- P∞（0））的值，比方说是0.1巴，则按照公式2.38所产生的最大压力约为1010 巴，最高温度将是环境温度的4 × 104 倍！许多因素，包括气体从液体扩散到空泡内，液体可压缩性的影响，减轻了这一结果。

Fluent环境中近壁面微空泡溃灭的仿真计算

Fluent环境中近壁面微空泡溃灭的仿真计算
李疆;陈皓生
【期刊名称】《摩擦学学报》
【年(卷),期】2008(28)4
【摘要】基于FLUENT软件环境,采用VOF模型和非稳态方法求解Navier-Stokes方程,模拟了近壁面的空泡溃灭过程,同时计算了空泡溃灭处与壁面的距离对射流强度的影响.结果表明:在近壁面,空泡将形成非对称溃灭,因水锤作用,引发高速水射流在壁面产生高压而形成空蚀破坏;基于FLUENT环境的计算结果与已有的实验和计算结果相符,为研究空泡溃灭和空蚀机制提供了类比的数值计算方法.
【总页数】5页(P311-315)
【关键词】空蚀;空泡溃灭;计算流体力学(CFD);射流
【作者】李疆;陈皓生
【作者单位】北京科技大学机械工程学院;清华大学摩擦学国家重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TH117;O353.4
【相关文献】
1.近复杂几何固壁空泡溃灭的伪势格子Boltzmann建模 [J], 单鸣雷;杨雨;胡青晨;姚澄;朱昌平;向衍;盛金保
2.近壁声空泡溃灭微射流冲击流固耦合模型及蚀坑反演分析 [J], 叶林征; 祝锡晶; 王建青
3.近球壁射流空泡溃灭对微细颗粒破碎效果的影响 [J], 孙毅;祝利豪;毛亚郎;鲁沛奇;黄韶炜
4.壁面处气泡在静止流场和高速水流中溃灭过程的计算仿真 [J], 罗经;李健;董光能因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

某型航空发动机滑油泵供油级最佳进口面积的确定研究

研究与探索Research and Exploration ·工艺流程与应用1 前言滑油系统是发动机必不可少的组成部分，滑油泵的性能直接影响着发动机滑油系统的性能。

好的泵结构和适当的空气含量将能够大大提升滑油泵的供油能力、效率、抗气蚀性能等。

目前，国内外研究泵抗气蚀和泵的性能的文章较多，多数均是针对工作介质为水的叶片泵展开的研究。

而针对工作介质为滑油的齿轮泵的研究则较少出现。

王玉勤、丁泽文等人针对某型号的化工离心泵，选取叶轮进出口直径、叶片进出口安放角、和叶片包角5个参数，通过 PumpLinx 进行数值计算确定出了最佳的一组方案，提高了泵的抗气蚀性能。

吴仁荣通过实验证明了适当增大叶轮进口的液流过流面积将会减弱泵的气蚀，过分增大叶轮进口面积将会在进口处生成旋涡和回流，不利于气蚀性能的改善，而且会给泵的效率降造成不利影响。

通讯作者：杨振军。

某型航空发动机滑油泵供油级最佳进口面积的确定研究杨振军，李文，张岭（新乡航空工业（集团）有限公司103厂，河南新乡 453000）摘要：航空滑油泵主要用于发动机轴承及传动齿轮部分润滑油的输送与回收。

滑油泵进口面积的大小直接影响滑油泵的性能。

本文基于某型航空发动机滑油泵供油级结构和工况条件，通过数值模拟方法研究了其进口面积和滑油中空气含量的变化对滑油泵抗气蚀性能、效率和出口流量的影响。

最终获得了最佳的滑油泵进口面积，并进一步确定出了滑油泵的最佳进口平均流速。

关键词：滑油泵；气蚀；进口面积；效率；航空发动机中图分类号：V234 文献标识码：A 文章编号：1671-0711（2024）01（下）-0104-04张学超通过试验研究发现采用适当加大叶轮进口直径，延伸叶片进口边，加大叶片的进口宽度，能够提高泵的抗气蚀性能，并且当设计参数选择合适的时候，同时在保证气蚀性能好的前提下可使泵获得较高的效率值。

蒋旭松、王者文等人通过数值模拟方法研究发现，适当增大喉部面积可以提高泵气蚀性能。

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空化水射流空泡溃灭过程的数值
分析
【摘要】：空化空泡发育与溃灭的计算是研究空化水射流的一个重点和难点.对比分析了空泡运动方程即rayleigh-plesset 方程的不同数值解法,并针对固定时间步长的缺点,提出了变步长法解rayleigh-plesset方程的思路.通过优化系数
λ=ri/ri-1,得出如下分析结果:在空泡内外压力变化的不同情况下,变步长法均优于固定步长法且没有奇异点.变步长法在节约计算量,保证结果精度等方面都有较好表现,该方法为研究空化水射流提供新的思路和算法.。

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单液滴内空化气泡的生长及溃灭研究吕明;宁智;孙春华【摘要】Cavitation bubbles always exist in the diesel jet leaving the nozzle and in the diesel droplets breaking up from the jet as a result of supercavitation of the diesel within the injection nozzle, and it can increase the instability of jet and droplets in part due to the two-phase mixture, while the mechanism of this effect is still unclear. Growth and collapse of spherically symmetric bubble within the diesel droplet has been then simulated numerically based on the volume of fluid (VOF) method. The numerical results show that the process of bubble growth is divided into three stages, including surface tension controlled domain, comprehensive competition controlled domain with the surface tension, the inertial force and the viscous force, and inertial force controlled domain. In addition, the bubble collapse within a droplet consists of multiple collapse and rebound stages, similar to the vibration process of a damping spring oscillator. According to the variation of bubble radius with time at the end of each cycle, the process of bubble collapse can be divided into fast,slow and stable stages.%超空化燃油射流使得喷雾中部分燃油分裂液滴内含有空化气泡；空化气泡的生长及溃灭对液滴的分裂与雾化具有重要影响。

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