非定常流场范文（精选3篇）

非定常流场 第1篇

关键词：空化,非定常雷诺平均方程,螺旋桨,尾流,滑动网格

1 引言

对于现代舰船,随着其航速和载荷越来越大,螺旋桨的空泡现象很难回避。这不仅会降低螺旋桨性能,产生空化剥蚀,导致船体振动,而且会产生足以暴露自己的空化噪声。因此,螺旋桨空化的研究对提高螺旋桨性能和降低噪声具有重要意义。

现代舰船螺旋桨形状不规则导致其尾流场结构复杂。完全依赖实验方法耗资费时,数值预报成为重要的研究方法。Kinnas and Pyo[1]提出倾斜式尾流模型对空化体积的预报有一定效果。国内高校等[2,3]基于相同理论也做了大量的研究。随着计算流体力学CFD技术的发展,基于粘性流理论的数值方法已经能很好地模拟水翼等的空化现象和螺旋桨粘性流动的一些重要特征,如螺旋桨尾流速度压力分布、流动分离、梢涡形成和尾涡结构等。美国的Chao-Tsung Hsiao[4]利用球形空泡模型模拟了椭圆形水翼梢涡空泡初生及空泡体积变化。但这一方法在螺旋桨空化上的应用还不多,且以稳态计算为主。东京大学Kawamura[5]用基于NS方程的非结构网格数值方法预报螺旋桨叶面空泡分布,计算结果与试验结果吻合。但由于网格不够充分,使得仿真结果中并没有出现梢涡空化和毂涡空化。

2 数学模型

基于粘性流理论求解N-S方程的方法以混合多相流模型法为主,引入了密度场定义,并可用于3维非定常流分析。汽液混合两相流模型考虑了流场在相变过程中相间的相互影响和相间滑移速度,并通过相变率引入空化模型。假设流场由密度均为常数的汽、液两相流组成,并将汽液两相流作为密度可变的统一混合流场处理,其密度是汽相体积分数的函数。一方面用N-S方程求解统一混合流场中的物理量,这些物理量用汽相和液相的体积组分平均值表示。另一方面,引入汽相传输方程求解汽相体积分数。

混合密度ρm与汽相体积分数αv的关系为:

由空泡而产生的汽液两相质量传输方程为:

下标m,v,L分别表示混合项、汽相和液相。由蒸汽凝固率和产生率(Rc和Re)引入空化模型。

将混合流看成是统一流体后,其控制方程为:

其中,umi=(αLρLuLi+αvρvuvi)/ρm为质量平均速度,ρm=αLρL+αvρv为混合密度,μm=αLμL+αvμv为混合粘性,ud,vi=uvi-umi为汽相的飘移速度。相对速度被定义为汽相的速度相对于液相的速度:uLvi=uvi-uLi。漂移速度和相对速度的关系为:ud,vi=(αLρL/ρm)/ulvi。相对速度为uLvi=τLvai。τLv和ai分别是气泡的弛豫时间和加速度[10]。

对于方程(2)中的参数Re和Rc,本文采用Singhal[7]提出的全空化模型求解。全空化模型由著名Rayleighplesset方程得到,考虑了相变、空泡动力学和湍流压力脉动等各种因素的影响。

pv为饱和蒸汽压力。γ为表面张力,k为湍流动能,fv=αvρv/ρm为汽相质量分数。汽化系数Ce和凝结系数Cc为经验参数[7]。采用稳定性较好的k-ω湍流模型使得方程组封闭。

2 数值方法

选用4叶侧斜螺旋桨E779A为研究对象,其直径d为0.227m,详细模型参数见文献[8]。由于桨叶形状非常复杂,因此,利用专业建模工具建立螺旋桨的三维几何模型,再导入计算程序。

由于螺旋桨叶面几何扭曲很大,很难生成结构化网格,文中采用分区域非结构化网格划分。不同区域网格密度不同。由于叶梢处速度较桨毂较大,网格密度由桨毂到叶梢逐渐增强。桨毂和桨叶背面的网格划分见图1。计算域为螺旋桨周围的圆柱型水域通道。由于4个桨叶作周期性的旋转运动,因此采用单桨叶、1/4流道模拟。计算域上游入口边界流速为均匀来流速度。下游出口边界压力远场静压力。远场边界同样设置来流速度。计算域中螺旋桨周围区域流场与螺旋桨外流场区域通过网格界面相连并沿该界面作相对滑动。滑动网格技术可以很好地模拟旋转机械中的呈周期性变化的非定常流动。因此,采用滑动网格模拟螺旋桨周围流场与外流场之间的旋转运动。

3 计算结果及分析

螺旋桨进速系数J=v/nd,其中v为入流速度,n为螺旋桨旋转速度。保持n=25r/s不变,调节v的值使J在0.2到0.9之间变化。根据螺旋桨空化数的定义σn=(p∞-pv)/(0.5ρLn2d2),通过调节远场静压力p∞来控制空化数σn的大小。另外,空化螺旋桨水动力性能数值结果与实验一致,具体阐述已发表在相关论文中[6]。

3.1 螺旋桨尾流场空化数值计算结果分析

图2显示在J=0.71和σn=1.515时,螺旋桨叶背面压力和蒸汽体积分数分布。红色是蒸汽分布较多的区域,代表空化发生严重。图2(a)、(b)两图对照发现,在螺旋桨叶面低压区域空化现象非常严重,且压力分布最低点(p=2368Pa)位于叶梢处,其压力系数Cp=(p-p∞)/[0.5ρL(nd)2]为-1.51,近似等于-σn(-1.515)。这与空化的基本原理相一致。图2(b)显示空化集中分布在导边至叶梢处,叶梢处空化最严重。另外,图2(b)显示在螺旋桨浆毂中心处出现的红色圆点区域为毂涡空化。图3为尾流场叶梢空化数值预报。图3(a)图为在入流方向呈逆时针旋转的螺旋桨位置。图3(b)、(c)分别为螺旋桨下游方向约0.1d和0.2d处横切面空化预报。图3(b)、(c)横切面边缘处亮点为从旋转叶梢处脱落的梢涡空化。由这两图对比分析发现从叶梢处脱落的空化在入流方向呈现逆时针螺旋线分布,这与图4实验照片中叶梢空化一致。

3.2 叶面空化分布的数值计算与实验结果的比较

螺旋桨空化噪声一旦出现就会成为舰船最重要的噪声源。因此空化初生的判断对螺旋桨噪声预报具有现实意义。图4显示了在进速系数和空化数变化时,螺旋桨叶片吸力面空化分布的发展过程。图4(a)、(b)、(c)中的上侧是本文蒸汽体积分数的计算结果,表明片空化和导边空化的大小和位置,下侧是文献[8]中的实验照片,清晰显示了片空化和梢涡空化。其中图4(a)反映了空化初生。图4还显示导边空化和叶梢空化从导边和叶梢处最先出现,随着J和σn的减少,空化加重并向叶面中间发展,进而形成片空化。

3.3 螺旋桨尾流场压力的数值计算

这里主要研究压力信号与其与尾流场结构的关系。总压(Total pressure)为静压(Static pressure)与动压(Dynamic pressure)之和。图5显示螺旋桨在J=0.83时,其尾流场中某点(x/R=0.5,r/R=0.9)的计算压力信号。其每个波峰间隔0.01s,反映了叶频(100Hz)特征。4个波峰的时长为0.04s对应螺旋桨轴频,反映了因梢涡空化从4个桨叶叶梢和导边脱落而造成的压力波动。图6为J=0.71时,尾流场压力非定常数值计算结果。图6(a)、(b)、(c)3个子图分别显示了在螺旋桨纵向方向x/R=1.0处的截面上3个不同径向位置压力信号的计算结果。其中在r/R=0.9处压力波动幅值最大,而由图3显示该点离叶梢空化处最近。这说明该点压力受桨叶梢涡空化的影响较大,并且梢涡空化是螺旋桨尾流场中非常重要的压力波动源。r/R=1.2位于螺旋桨滑流管之外,压力波动幅值明显减小,这也与尾流场的实际情况相吻合[9]。此外,图6(d)为x/R=2.0,r/R=0.3处压力信号的计算结果,和图6(a)对比发现图6(d)中压力波动幅值进一步减小,且轴频波动特征开始显现。这说明在螺旋桨下游方向较远位置,叶频特征减小而轴频特征开始出现。另外,将压力信号进行功率谱密度分析后发现压力信号频率以线谱为主(见图7)。并且线谱集中在25Hz和100Hz即螺旋桨的轴频和叶频,与4叶螺旋桨和25r/s的转速相符。

4 结论

本文利用基于非结构网格的URANS方法来研究螺旋桨空化和其尾流场。数值计算结果显示与实验数据一致。特别是对于片空化和导边空化预报与公布的实验观察结果一致,为螺旋桨空化噪声特性机理的进一步研究打下了基础。对于尾流场的数值预报发现压力波动的峰值发生在尾流梢涡通道的径向r/R=0.9处,这与图3中梢涡空化数值预报的位置一致。另外在螺旋桨下游方向压力信号波动减小说明尾涡衰减,同时叶频信号减少,而轴频信号开始出现。

但是,本文对叶梢空化的预报精度还不够,泡空化和超空化也未能准确预报。这主要由于目前空化模型还不能够准确地描述空化形成机理,模型中存在经验参数。其次,本文是基于混合多相流模型求解时均化的NS方程。时间平均必然会产生误差,这对汽、液两相界面的准确定位比较困难。

参考文献

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[8]Salvatore F,et al A Viscous/Inviscid Coupled Formulation For Unteady Sheet Cavitation Modelling Of Marine Profellers[C]//Fifth International Symposium on Cavitation(CAV2003)Osaka,Japan,November1-4,2003:1-16.

[9]Felli M,et al.Analysis of the propeller wake evolution by pressure and velocity phase measurements,2006,Experiments in Fluids41:441-451.

非定常流场 第2篇

多通道涡轮级的流场/温度场非定常数值模拟

通过求解二维N-S方程对多通道涡轮级进口有温度畸变时的流场和温度场进行了非定常数值模拟.相对于简化成单通道涡轮级的数值模拟得到更精确的结果,尤其是对温度场的.模拟.改变热斑数与导叶通道数比会对动叶时均温度分布产生较大影响,动叶压力面温度分布所受的影响更大.

作 者：董素艳 刘松龄 朱惠人  作者单位：西北工业大学,航空动力与热力工程系,陕西,西安,710072 刊 名：航空动力学报  ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF AEROSPACE POWER 年，卷(期)：2002 17(1) 分类号：V231.1 关键词：涡轮   非定常   热斑   流场   温度场   数值模拟  

非定常流场 第3篇

固液两相流离心泵在环保、冶金、化工、水利、食品、医疗、土建和疏浚等行业中被广泛应用。由于固液两相流动的复杂性和特殊性, 所以固液两相流泵在性能、噪声、寿命等方面存在着较大的缺陷[1,2];一直以来, 人们只关注定常流动时泵的内特性和外特性。近年来, 研究者逐渐认识到非定常流动对泵的内、外特性影响都很大。在对清水泵的非定常研究中发现, 叶轮不均匀出流和动静干涉作用会产生较大压力脉动, 是诱导振动和噪声的主要原因[3,4,5,6], 严重时会造成泵的破坏。因此对固液两相流离心泵三维流场进行非定常的数值模拟, 有助于获得流道内的压力脉动并对诱导振动产生的机理进行分析。

1 模型及参数

1.1 计算模型

本文所研究的固液两相流离心泵主要设计参数分别为流量Q=200m3/h, 扬程H=50m, 转速n=1 450r/min, 叶轮出口直径D2=415mm, 叶轮进口直径Dj=150mm, 叶片数Z=6, 出口宽度b=23mm, 叶片包角φ=120°颗粒相浓度为10%, 密度为3 000kg/m3, 颗粒相直径分别取0.05、0.25、0.5、0.75、1mm。

1.2 网格划分

利用ICEM软件对各过流部件进行网格划分, 网格均采用非结构四面体网格。进口段、叶轮、蜗壳和出口段的网格数分别为183 183、489 693、431 509、212 995, 网格总数为1 287 383。图1 (a) 为固液两相流离心泵网格装配图。

2 数值模拟方法

2.1 周期设置

固液两相流离心泵的转数为1 450r/min, 叶片数为6, 因此可以得出转子的旋转周期为 对流场每隔3°计算一个时间点, 每个时间步长为 叶轮旋转一个周期一共120步, 为了得到稳定的结果, 计算得到叶轮旋转8圈 (0.331 6s) 时间内的非定常流场和压力脉动的结果。叶轮的转动频率f=24.17 Hz, 叶频为T=145Hz。

2.2 监测点设置

图1 (b) 所示为固液两相流离心泵非定常模拟过程中监测点的分布。在中截面上, 隔舌附近选取5个静点gg、g1、g2、g3、g4以及在蜗壳沿螺旋线上取4个静点w1、w2、w3、w4。每个点之间相差90°, 上述监测点可完整地实现对泵内流动状态的监测。

2.3 边界条件

采用CFX流场分析软件对固液两相流离心泵进行稳态数值模拟, 采用速度进口, 出口为自由出口, 相对静压强为0Pa。在固液两相流离心泵非定常流场的模拟计算过程中, 采用定常模拟的计算结果为初始流场进行非定常数值计算。非定常与定常计算的设置大部分相同, 仅有小部分需要改变:将Analysis Type改为transient。在边界条件的设置上, 叶轮、蜗壳、进出口等区域和定常计算的设置相同, 它们之间的交界面设置为Transient Rotor Stator模式动静间的交界面。

3 计算结果及分析

3.1 外特性数值计算结果

图2分别为清水和粒子浓度为10%, 粒径分别为0.05、0.25、0.5、0.75、1mm 6种不同条件下一个周期内 (120Δt) 泵瞬时扬程的波动曲线。从图中可以看出, 随着叶轮的转动, 泵的瞬时扬程呈周期性变化, 并且变化趋势几乎相同, 在一个周期内均出现了一个最大值和一个最小值, 频率与叶片通过频率一致, 这正是由于隔舌与叶轮的动静干涉作用引起的。清水时泵的扬程最高, 当液体为固液混合物时, 扬程的脉动幅值随粒子直径的增大而增大, 且随着粒子直径增大, 泵瞬时扬程下降。把叶片的一个旋转周期 (T=20Δt) 分为4时刻, 由图2可以看出, 叶轮旋转角度为5Δt时, 此时叶片恰好旋转到隔舌顶部[如图3 (b) ], 叶片与隔舌的干涉作用强烈, 一方面叶轮流体与隔舌顶部发生更为激烈的碰撞, 能量损失更为严重, 另一方面叶片阻挡了流体进入蜗壳流道, 使得隔舌附近流动情况更为复杂, 可能形成回流或涡流。由于在各直径条件下瞬时扬程曲线规律相似, 仅取直径为0.5mm时泵的瞬时流线图, 如图3所示, 取t=0、5Δt、10Δt、15Δt时刻泵的流线图, 可以看出t=5Δt[如图3 (b) ]时, 叶轮流道里面流动情况相对更加混乱, 流道里面产生的漩涡, 回流可能也是造成扬程过低的一个原因。因此此时泵的瞬时扬程最低。当叶片离开隔舌顶部时, 叶片与隔舌的干涉作用开始减弱, 直到叶片旋转角度为15Δt时[如图3 (d) ], 此时隔舌恰好在相邻两叶片中间, 泵内流场的流态最好, 泵的瞬时扬程最高。

3.2 压力脉动分析

压力脉动是流场内动静干涉、涡流、回流等诸多因素相互作用的外在动态反映, 也是流动诱导振动噪声的重要原因[7,8]。

为了分析泵内的压力脉动, 这里特别引入压力脉动参数[9]:

式中:ΔP为压力与平均压力的差;u为叶轮的圆周速度, m/s;ρ为参考密度, 997kg/m3。

3.2.1 幅域分析

幅域分析是分析样本的统计特征值, 本文用标准差:

(假定以x1, x2, x3, , xn表示样本的n个瞬时值) , 标准差反映一个数据集的离散程度, 标准差越小, 表明数据越聚集;标准差越大, 表明数据越离散, 可以利用它来衡量信号脉动强弱[10]。图4为模型泵内各监测点的标准差计算结果。

由图4可以看出:在不同条件时隔舌至叶轮出口圆周上, 隔舌顶部的压力脉动最大, 远离隔舌的监测点压力脉动较弱, 幅度值均小于5kPa, 说明出口端离叶轮相对较远, 受叶片与隔舌的干涉作用较弱;在蜗壳隔舌附近w1点位置的压力脉动最强, 靠近蜗壳隔舌顶部的脉动却相对较弱, 这可能是因为隔舌顶部受到液流冲击发生边界层分离及叶轮出口射流-尾流的双重影响[11], 导致蜗壳隔舌受到强烈冲击的部位由蜗壳顶部沿螺旋线偏移到w1;泵内各监测点清水时压力脉动均最小, 说明泵运送含有颗粒的流体时流动情况更加复杂, 当颗粒直径为0.05 mm时, w1的幅值是53.426 kPa大概是清水的188.06%;颗粒直径为0.25mm时, w1的幅值是44.64kPa大概是清水的157.14%, 直径D=0.5、0.75、1mm时, w1幅值大概分别是清水的113.41%、124.32%、137.85%。由此可知, 在本文模型泵中压力脉动幅度并没有随着粒径的增大而增大, 在粒径为0.05、0.25mm时, 颗粒直径越小, 压力脉动幅度越大, 叶片与隔舌的干涉作用越强烈, 而在取其他三个较大颗粒直径时, 随着颗粒直径增加, 压力脉动有小幅度增加。

3.2.2 频域分析

不同条件下蜗壳圆周上w1、w2、w3、w4的压力脉动频域图如图5所示;由FFT频率图可以分析得到:不同条件下各监测点的压力脉动在频谱图上均表现出明显的离散频谱特性, 且最高峰值频率均为叶频 (145 Hz) , 这表明叶片与隔舌间的干涉作用是影响压力脉动的主要因素之一;当液体含有颗粒直径为0.05、0.25mm时[如图5 (b) , (c) ], 沿着蜗壳圆周方向, 幅值逐渐减小, 当颗粒直径为0.5、0.75、1 mm时[如图5 (d) , (e) , (f) ], w1、w3比w2、w4的幅值高;当颗粒直径为0.05、0.25mm时, 主频为145 Hz, 辅频为24.17 Hz, 且在低频区出现宽频, 说明液体含有颗粒直径为0.05、0.25mm时容易受低频影响;当颗粒直径为0.5、0.75、1mm时, 主频为145 Hz, 辅频为290Hz, 说明液体含有颗粒直径为0.05、0.25mm时容易受高频影响。

4 结语

(1) 受叶轮结构不对称和叶片与隔舌间的干涉作用等影响, 在非稳态条件下, 泵的瞬时扬程随着时间发生周期性变化, 清水时泵的扬程最高, 随着颗粒直径的增大, 泵的瞬时扬程下降。

(2) 颗粒直径为0.05、0.25mm时, w1幅值大概分别是清水的188.06%, 157.14%, 当直径为0.5、0.75、1mm时, w1幅值大概分别是清水的113.41%、124.32%、137.85%。

(3) 浓度相同, 颗粒直径不同的液体主频和叶频 (145 Hz) 一致, 直径为0.05, 0.25 mm时, 容易受低频影响, 而直径为0.5、0.75、1mm, 容易受高频影响。

摘要：采用标准k-ε湍流模型对固液两相流离心泵内部流场进行了三维非定常数值模拟, 分析了不同时刻叶片与隔舌相对位置对离心泵瞬时性能及压力脉动的影响;并且利用数理统计学原理和频域数据处理方法对流场内监测点的压力脉动进行分析。结果显示:叶片与隔舌间的动静干涉引起离心泵瞬时扬程呈周期性变化;隔舌附近是较强的脉动源, 但脉动最强的部位不在隔舌顶部而是向螺旋线方向偏移;液体含有颗粒直径为0.05、0.25mm时容易受低频影响;当颗粒直径为0.5、0.75、1mm时, 容易受高频影响。

关键词：固液两相流,非定常,压力脉动,数值模拟

参考文献

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