绕水翼空化流场的数值模拟与试验研究

　　0 前言

　　空化是发生在液体中的一种物理现象，在许多水力机械中，诸如泵、喷嘴、推进器及水翼中普遍存在，对水力机械运行性能有显著的影响[1]。空化的发生常伴有水体阻力增大、压力波动、振动及噪声以及动力损失等现象，空化严重时可能引起强烈的噪声、振动和空蚀[2]。

　　片状空化、云状空化及超空化是空化发生的三种形态，其中对云状空化的认识最不充分。人们针对云状空化的产生机理做了大量的研究，但目前对云空泡的研究和认 识还十分有限，FURNESS等[3]提出反向射流是云状空化产生的因素；KUBOTA等[4]认为边界层的分离造成反向射流进入空穴，引起大规模空泡团 的脱落；另外AVELLAN等[5]却认为是由于空穴表面波动引起云状空化的准周期过程。国内，李向宾等[6]采用DPIV的方法获得了绕水翼云状空化状 态时的旋涡特性，指出在汽液界面附近存在着较大的涡量分布，同时空穴区域内的流动中存在比液相区域更大的涡量。张敏弟等[7]采用LDV测量了空化流场， 分析了界面的非定常机理，指出尾部的反向射流是由尾部旋涡运动引起的。

　　与此同时，相关的数值计算工作也获得了一定的进展，COUTIER-DELGOSHA等[8]借助正弦曲线定义密度与压力之间的关系，数值模拟了定常来流条件下的空泡的非稳态脱落现象。余志毅等[9]采用了一种基于滤波概念的FBM模型，发现这种模型由

　　于改进了涡粘模型的对涡黏系数的过预报，可以很好地预测空化的非定常行为。刘巨斌等[10]采用基于传输方程的空化模型对定常自然空化流场进行了数值计算，计算结果与试验结果吻合较好。

　　系统全面地了解空化非定常流场的特性，不仅对于了解空化的发生机理，同时对于了解空化的非定常特性及其动力特性等均具有非常重要的作用。本研究结合试验和 数值计算的方法研究了绕ys930水翼的空化流场。对目前应用较多的数值模拟计算模型RNG k- 二方程湍流模型做了适当修正，以满足空泡计算的稳定性与精确性要求；试验采用高速数码拍摄技术观察了在10°攻角下的片状和云状空化随时间的结构变化，对 空化形态和发展机理进行了讨论，探讨了绕水翼的空化流动特点。

　　1 数值计算模型及边界条件

　　1.1 物理模型

　　绕流体为hydrofoil ys930水翼，图1为流场计算域及水翼局部网格示意图，计算域采用结构化网格，并对水翼附近流动较为复杂的流动区域进行网格加密，总网格数为202 000。

　　1.2 控制方程

　　控制方程如下。

　　连续性方程

　　式中，m 为混合物密度；mv 为混合物速度； p 为压力；m 为混合物动力黏度。