局部通气空泡尾部微气泡流减阻仿真研究_向敏

第6 期
局部通气空泡尾部微气泡流减阻仿真研究
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欧拉—欧拉双流体模型 本文基于欧拉—欧拉双流体模型建立气泡流仿 动量守 真模型。通过单独求解液相和气相的质量、
图2 Fig． 2
局部通气空泡尾部回射流泄气机理示意图 Schematic of gas leakage mechanism at the tail of partial ventilated cavity by reentrained jet
［10 － 11 ］ Stokes 方 接数 值 模 拟 和 雷 诺 平 均 Navier［12 － 13 ］ 。 法 展开 直接数值模拟能预示湍流边界层内
图1 Fig． 1
试验体结构和空泡轮廓示意图
气泡和边界层作用机理， 但是计算量大， 对高雷诺数 和高气含量工况不具有实用价值 。而基于雷诺平均 的双流体模型计算效率高， 同时能采用两相间动量 传递及气泡破碎、 合并模型正确计算气泡输运， 相间 作用及气泡间质量传递等对微气泡减阻影响较大的 因素。因此本文基于欧拉—欧拉双流体模型开展局 部通 气 空 泡 尾 部 气 泡 流 仿 真 研 究。 模 型 中 根 据 Savchenko［14］公式确定不同空化数下前部空泡外形 。 仿真难点在于采用正确的空泡尾部泄气模型 ， 设置 合理的气泡流入口边界。 同时空泡尾部气含量高， 气泡尺寸小， 与一般气泡流特性不同， 正确计算此区 域内相间相互作用是保证模型准确性的关键 。为了 考虑气泡尺寸分布对航行器水动力影响， 本文采用 ［15 ］ （ MUSIG ） 多尺寸分组 模型 正确描述一定尺寸范 破碎过程。 为了验证多相流模型准 围内气泡合并、
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对于水下航行体， 通过喷气形成覆盖航行体表 面的气泡层或气流层从而实现高效减阻是目前研究 ［1 ］ 热点之一 。 其中微气泡减阻和通气空泡减阻是 实现喷气减阻的 2 种主要途径。微气泡减阻指向液 体边界层喷入微小气泡， 通过减小介质密度和改变 边界层内湍流结构从而减小航行体表面摩擦阻力 。 ［2 － 4 ］ 试验研究 表明微气泡减阻可实现减阻 20% ～ 80% ， 减阻效率受通气量、 气泡尺寸、 来流参数和航 行体结构等因素影响， 减阻机理复杂。 通气空泡减 指向航行体表面喷入气体并在空化器作用下 形成包裹航行体的空泡。空泡减阻能实现减阻率高 但是所需通气量较大， 同时空泡尺寸较大 于 80% ， ， 时会带来过大的压差阻力 从而降低减阻效果。 局 部通气空泡指空泡长度小于航行体， 空泡尾部闭合 在航行体表面时的情况。局部通气空泡尾部通常伴 随回射流， 在尾部回射流和界面剪切力作用下空泡 尾部气团脱落， 并在湍流作用下进一步破碎成小气 从而在空泡尾部形成气泡流。 在前部空泡和尾 泡， 局部通气空泡综合利用空泡减阻 部气泡流作用下， 和微气泡减阻 功应用于船舶
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确性， 首先将计算模型应用于轴对称体微气泡减阻 ［16 ］ 试验算例 ， 得到不同工况下试验体减阻率并与试 验数据对比。然后以美国明尼苏达大学通气空泡试 ［17 － 18 ］ 验 为背景， 开展局部通气空泡尾部气泡流仿 真。该试验在截面为（ 0. 19 m（ W） × 0. 19 m（ H） ） 的 水洞中进行， 测试段长 1 m． 试验体带 10 mm 空化 器， 试验工况由弗诺得数 Fr， 无量纲通气率 Q g 和空 化数#c 进行描述： Fr = u∞ gD n 槡 ， Qg = p∞ － pc Q ， （ 1） σc = 2， u∞ Dn 0. 5 ρ l u2 ∞
试验工况描述
Qg 0. 08 0. 16 #c 0. 25 0. 15
Experimental case description
， 并由于其小的附加压差阻力， 成 ［9 ］ 和水翼减阻 。为了对通气空泡
航行器水动力进行准确预估， 合理控制空泡形态， 优 化航行器设计， 有必要借助数值仿真手段对空泡尾 部气泡流及其减阻特性进行正确分析 。 目前， 针对微气泡减阻的数值仿真主要基于直
Schematic of test body and cavity outline
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物理数学模型
局部通气空泡尾部泄气模型
通气空泡尾部回射流泄气机理如图 2 所示。 当 空泡闭合在航行体表面时， 空泡尾部形成回射流， 使 空泡在回射流作用点断裂。 在界面剪切力作用下， 空泡边界层气体形成气团脱落， 进而由于湍流作用 破碎成小气泡向下游扩散， 造成气体从空泡尾部泄 漏。尾部泄气量与头部通气量平衡时， 空泡形态达 到稳定。 本文不考虑尾部泄气细节过程， 采用泄气模型 确定回射流作用点， 计算尾部泄气量， 设置合理的气 泡流边界条件， 从而准确计算空泡下游气泡流流场 。
Abstract： Numerical research on microbubble drag reduction downstream partial ventilated cavity is carried out based on an EulerianEulerian twofluid approach． The gas leakage model resulted from the reentrained jet at the rear of partial ventilated cavity is proposed and integrated into the numerical model． The turbulent dispersion force model was improved to take into account the effect of high void fraction． Numerical model was firstly validated through application on a microbubble drag reduction experiment for an axisymmetric object． Then simulations on bubbly flow created by partial ventilated cavity were implemented where the vortex regions behind the cavity and the bubble distribution were successfully captured． Based on the simulation results，the friction drag and form drag caused by bubbly flow downstream of the ventilated cavity is analyzed． It is concluded that for the objects with high form drag coefficient，it can be more effective to use partial cavity for drag reduction than supercavity，because the partial cavity which is composed of cavity drag reduction and microbubble drag reduction can obtain high friction drag reduction while keep low form drag． Key words： fluid dynamics； partial ventilated cavity； microbubble drag reduction； numerical simulation； population balance
并耦合相间动量传递求解流场。 由于空泡 恒方程， 气泡尺寸小， 与一般气泡流特性不 尾部气含量高， 同， 因此正确模拟两相间作用力是模型建立的关键 。 drag lift 液相和气泡间作用力主要由阻力 F 、 升力 F 和 dispersion 构成。 阻力和升力是在流场平 湍流耗散力 F 均参数信息下计算得到的， 湍流耗散力则考虑了湍 是正确预估气相扩散和分 流脉动对气泡运动的影响， ［ 21 ］ 布的基础。本文基于 Burns 模型计算湍流耗散力： v t， αl αg g dispersion dispersion Flg = － Fgl = CTD CD － ，（ 5 ） σ t， αl αg g 式中，C TD ，ν t， 气相 g 和 σ t， g 分别代表湍流耗散系数 、 湍动能粘性系数和湍流施密特数。 研究表明， 湍流 耗散力对本文多相流场计算影响最大。 而事实上， ［12 ］ 高气含量使相间阻力减小 ， 同时影响湍流耗散 ［22 ］ 力。本文基于 Simonnet 提出的阻力系数计算模 型改进湍流耗散系数计算方法以考虑气含量影响 ： m － CTD αg = （ 1 － αg ） （ 1 － αg ） m + 4. 8 + Cmin ， Cmax 1 － αg
第 32 卷第 6 期 2 0 1 1 年6 月 Nhomakorabea兵
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Vol． 32 No． 6 Jun． 2011
ACTA ARMAMENTARII
局部通气空泡尾部微气泡流减阻仿真研究
1， 2 1 2 2 向敏 ，张为华 ，张孜博 ，屠基元
（ 1． 国防科技大学 航天与材料工程学院，湖南 长沙 410073 ； 2． 澳大利亚皇家墨尔本理工大学 航空、 航天机械及制造工程学院， 维多利亚州 3083 ）
Numerical Research on Microbubble Drag Reduction Downstream of Partial Ventilated Cavity
2 XIANG Min1， ，ZHANG Weihua1 ，ZHANG Zibo2 ，TU Jiyuan2
（ 1． Institute of Aerospace and Material Engineering，National University of Defense Technology，Changsha 410073，Hunan，China； 2． School of Aerospace，Mechanical and Manufacturing Engineering，RMIT University，Victoria 3083，Australia ）
收稿日期： 2010 － 07 － 22 基金项目： 国家留学基金委研究生资助项目 （ 2009611040 ） xiangmin333@ hotmail． com； 作者简介： 向敏（ 1982 —） ， 女， 博士研究生， zwh_kjs@ 163． com 张为华（ 1962 —） ， 男， 教授， 博士，
摘要： 基于欧拉—欧拉双流体模型开展了局部通气空泡尾部气泡流仿真及减阻特性研究 。 模 型中建立了局部通气空泡尾部回射流泄气模型 ， 并通过改进湍流耗散系数计算模型考虑了高气含 量对两相作用的影响。通过将模型应用于轴对称体微气泡减阻试验 ， 验证了多相流模型的准确性。 通过开展不同工况下局部通气空泡流仿真 ， 正确预示了空泡后回流区及其下游气泡分布特点。 基 于仿真结果， 对试验体摩阻和压阻进行分析， 研究表明对于高压阻航行器， 局部通气空化综合利用 空化减阻和微气泡减阻， 既能有效减小摩擦阻力， 又能保持较小压阻， 能实现比超空泡更高的减阻 率。 关键词： 流体力学； 局部通气空泡； 微气泡减阻； 数值仿真； 总体平衡方法 1093 （ 2011 ） 06073306 中图分类号： TB126 文献标志码： A 文章编号： 1000-
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阻
［5 ］
式中： u ∞ 指水流速度； D n 指空化器直径； Q 代表气体 并 体积流量。本文针对表 1 中 2 种工况进行计算， 对气泡流作用下的试验体水动力进行分析 。试验体 结构及不同空化数时空泡轮廓示意图如图 1 所示。 表1
Tab． 1
工况 1 2 Fr 29 29