更全的杂志信息网

二维水翼空化流动数值模拟研究①

更新时间:2009-03-28

空化是使水力机械性能恶化的主要原因之一,当流场中某点的压力低于液体介质工作温度所对应的汽化压力时,该处液体发生相变,产生气泡,气泡生长直至溃灭的现象即为空化现象[1]。空泡破灭发生在极短的时间内,会产生很大的瞬时冲击压力。当溃灭发生在水力机械固体表面附近时,流体中连续破灭的空泡所产生的高压力不断作用于固体表面,会造成流体机械表面的损坏,并兼有振动、噪声及性能下降等现象[2]。水翼表面空化是一种非常复杂的流动现象,试验研究方法采用空化水洞,设备前期投资大,试验耗时且受环境影响非常大。

第二是互联网+视域下大数据推动了管理会计的转型升级。在市场经济体制下,互联网+视域大数据实现了新的行业新的领域新的经济形式的萌芽发展,这必然带动经济活动的各项变更,如带来会计的转型,即要求管理会计能够从传统的管控、核算型转为当下的决策管理型,并且能够做到企业价值创作管理。

近年来,随着CFD技术的迅速发展,数值仿真计算研究空化流动因具有经济性好、周期短及不受操作条件限制等优点而受到研究者们的关注。空化数值模拟研究属于多相流动计算范畴,空化现象的存在使数值计算模型既要考虑气相输运和相变过程,又要考虑相变所引起的流场急剧变化的情况[3],因此数值模拟结果强烈依赖于计算模型与计算方法的准确性。Singhal(FCM)模型[4]、Zwart-Gerber-Belamri(ZGB)模型[5]和Schnerr and Sauer(SS)模型[6]是Fluent中嵌入的3种空化模型,这3种空化模型均基于空泡动力学Rayleigh-Plesset方程推导而来,并被越来越多的研究者应用于工程设计中。马相孚等采用修正后的ZGB空化模型对液氢绕NACA 0015水翼的非定常空化流动进行数值计算,发现空泡周期随温度的增高而变长,升、阻力系数的波动周期随温度增高而增加[7]。郝宗睿等应用FCM全空化模型对攻角为8°的NACA 0015水翼的二维空化流场进行模拟研究,得到不同空化数下非定常空化流场和空化演化过程的流动特性[8]。戴月进等采用ZGB空化模型对不同粗糙度条件下翼型周围流场进行了模拟研究,发现随着翼型表面粗糙带宽度与高度的增加,翼型附近流场的压强升高,吸力面的最低压力高于饱和蒸汽压,延缓了初生空化的发生[9]。刘艳等采用FCM全空化模型和ZGB空化模型对攻角为6.5°的NACA 66型二维水翼附近的空化流动进行了数值模拟研究,发现FCM空化模型和ZGB空化模型中,不凝气体质量分数、蒸发系数及凝结系数等参数对数值模拟结果影响较大[10]

丁主任擦了擦眼泪,对着甲洛洛:张大爷,你是知道我的,当初为了救我父亲的命,我不得不接受她家的帮助,可她家从来都只把我当成一条狗,一条供潘美丽驱使的狗。甲洛洛叹息了一声:过不下去就别过了,人生一辈子,苦点累点可以扛着,但一个大男人不能活得没了尊严。丁主任感激地看着甲洛洛:张大爷,今后就叫我小丁吧,这院坝里,我最敬重的就是你,也就你最了解我,最可怜我了,我心里一直记着呢!

前人多在研究中采用一种或两种空化模型研究二维水翼附近空化场流动问题,但对于Fluent中嵌入的3种空化模型的适用性和空化过程预报准确性鲜有报道。因此,笔者采用Fluent中嵌入的3种空化模型对NACA 0009翼型空化流动过程进行数值模拟计算,并与试验数据进行对比分析,考察Fluent软件中的不同湍流模型和3种空化模型结合后的适应性与可靠性,并对空化模型中的相关参数进行了修正。

1 NACA 0009水翼的几何模型和网格划分

笔者的研究对象是NACA 0009模型水翼,其计算域和边界条件如图1所示,计算域的尺寸根据试验用水洞工作段尺寸来确定。设水翼弦长为c,进流段为2c,出流段为5c,上下壁面相距1.4c,固定攻角为2.5°。采用ICEM对翼型计算域进行C型结构化网格划分,由于二维水翼表面和尾流区域内流体流动状态变化较大,所以将这部分区域网格进行加密处理。

  

图1 计算域和边界条件示意图

2 NACA 0009水翼的控制方程和空化模型

NACA 0009水翼的控制方程为:

气相输运方程 (αvρv)+▽

(1)

气泡动力学方程 RB

(2)

式中 p——局部压力;

pB——气泡表面压力;

RB——气泡半径;

阅读与写作的关系是相辅相成的,“阅读是写作的基础和借鉴,写作是阅读的升华和创造”,在平时的语文教学中我们要将二者有机地结合起来,相互促进,共同提高。人教版普通高中课程标准实验教科书语文必修1第二单元学习的是古代记叙散文:《烛之武退秦师》《荆轲刺秦王》《鸿门宴》,这三篇古代记叙散文都是千古流传的叙事名篇,这些课文在故事情节的叙述、人物形象的塑造上都体现了高超的艺术技巧,对高中生的记叙文写作具有指导意义,值得借鉴和学习。下面试从故事情节的叙述和人物形象的塑造两个方面来谈一谈这三篇古代记叙散文对记叙文写作技巧的指导。

际贡献定义为cm1固定成本为a1,并导入杠杆公式中,即旧模式杠杆系数DOL0=Q*cm0/(Q*cm0-a0)=Tcm0/(Tcm0-a0),新模式杠杆系数DOL=Qcm/( Qcm-a)=Tcm/(Tcm-a)。

杨年丰扁了扁嘴唇,从口袋里摸出了两张照片,“啪”地把照片拍在床上。高河向照片看去,瞬间,他的大脑麻木了,呆住了,犹如血液被抽空般的感觉。

Re——气相生成率;

S——液体与气体分界面上的表面张力系数;

t——时间;

多模态教学内容是培养学生多元读写能力的关键,因此我们需要建设多模态教材、教案等教学资料,构建以网络技术为支撑的多模态教学语料库和学习资源中心。面对浩如烟海的网络资源,教师应先筛选与教学内容相关的内容,以图、文、声、像并茂为标准,筛选之后指导学生利用其进行学习。或者教师可以制作成微课供学生课前课下学习。由于目前高职外贸函电教材的时效性差,教学内容滞后,因此教师一定要善于利用网络资源、学校图书馆资源等,让自己的教学内容多模态化,从而激发学生学习兴趣。

vl——液相运动粘度;

αv——气相体积分数;

气相速度;

ρl——液相密度;

fv——气相质量分数;

式中 p——无穷远处压强;

Re-Rc是气液两相之间的质量输运,3种空化模型对ReRc的计算公式各不相同。

FCM空化模型:

 

(3)

 

(4)

式中 Fvap——蒸发系数;

Fcond——凝结系数;

ρv——气相密度。

总体来看,中国当代都市电影的创作延续了现实主义传统,相当多的作品对由乡入城的农民工进行了再现;也对城市原住民的怀旧心态进行了关注。值得一提的是,20世纪90年代以来,农民工进城成为中国特殊的社会现象,谈到都市,我们无法避开这一话题。也正因此,以都市社会为表现对象的电影中频频出现农民工,许多影片甚至直接以农民工为主角,这些影片应该被列入中国当代都市电影的范畴。这是转型期中国社会的特殊之处,也是中国当代都市电影的特殊之处。

fg——不可凝气体质量分数;

计算中使用的空化数σ和翼型表面静压力系数Cp分别定义如下:

k——湍动能;

pv——饱和蒸汽压。

ZGB空化模型:

 

(5)

 

(6)

式中 αnuc——气核体积分数。

SS空化模型:

Rc——气相凝结率;

 

(7)

 

(8)

其中,ρ=αvρv+(1-αv)ρl,表示混合密度。

3 计算条件

空化流动属于复杂的两相流动,均存在明显的非定常流动特性,但笔者所研究的这一特殊翼型,在一定的条件下,其空化绕流流场的波动较小,流场中的参数随时间的变化不大,因此认为其空化过程是一个准定常过程。计算所采用的介质为20℃的水(密度998.2kg/m3,动力粘度1.003mPa·s)和水蒸气(密度0.554 2kg/m3,动力粘度134nPa·s),饱和蒸汽压为3 540Pa。数值计算边界条件与试验条件相同,入口设置为速度入口边界条件,入口速度设定为20m/s;出口设置为压力出口边界条件,根据空化数改变其出口压力数值;翼型表面设置为无滑移固体壁面。

4 NACA 0009水翼数值模拟结果与分析

由于MEMS陀螺随机信号易受环境温度、外界震动、陀螺自身温度、电压波动、电路稳定性、自身重复性差等因素影响[8],导致MEMS陀螺随机误差模型中结构参数和噪声统计特性波动明显,难以准确获取[5]。

 

(9)

 

(10)

从表 1 可以看出:第一主成分在 X1、X2、X6、X10与X11上具有较大的载荷,说明第一主成分在一定程度上代表着经济生活水平;第二主成分在X3、X4上具有较大的载荷,说明第二主成分在一定程度上代表着海洋渔业水平;第三主成分在X7、X8、X9上具有较大的载荷,说明第三主成分在一定程度上代表着居民收入水平。

那段时光不知道究竟有多长,但青辰记得,自己是被一种“嘎嘎咔咔”的声音惊醒的。醒来时,他发现自己仍然跪伏着,头脸埋在地上,身体在不听使唤地战栗着。

U——无穷远处速度。

4.1 网格无关性验证

网格数量会影响数值计算结果的精度,笔者建立了3套网格用于网格无关性验证研究。根据经验公式,选取第1层网格高度为0.1mm,网格伸展比为1.05,叶片周向网格节点数为200,网格节点总数为55 314,该网格作为初始网格,然后将它加密得到两个加密网格分别为8万、10万。图2表明8万与10万网格节点下的模拟结果差异较小,最终确定网格节点总数为8万,水翼表面y+控制在10以内。

  

图2 不同网格数下翼型表面静压力系数曲线

4.2 湍流、空化模型验证

二维水翼空化流动数值模拟结果的准确性主要依赖于计算模型的准确性,湍流模型的选取笔者主要采用涡粘模型中的两方程模型,包括标准k-ε、RNG k-ε、SST k-ω模型和雷诺应力模型RSM,对比分析了不同湍流模型在模拟计算NACA 0009水翼附近空化流动时的预报准确性。图3的翼型表面压力系数曲线表明RNG k-ε湍流模型与SST k-ω湍流模型的模拟结果与试验值相一致。计算结果的差别主要发生在空泡溃灭区,标准k-ε湍流模型发生偏差是由于空泡溃灭区域中流线的弯曲程度相对比较大,标准k-ε模型对流向曲率变化较大、有较强压力梯度的流动和复杂流动的模拟效果不理想。RSM雷诺应力模型考虑的物理机理更为细致,包含了湍流各向异性影响,可以更为准确地模拟旋流问题,但对于一般的回流问题模拟效果并不明显。RNG k-ε湍流模型对ε方程进行了改善,同时考虑了湍流漩涡情况,可以较准确地模拟二次流、漩涡流及射流撞击等湍流流动。SST k-ω湍流模型是标准k-ε模型的修正,通过使用混合函数,在近壁面处使用k-ω模型,其他区域使用k-ε模型,与标准k-ε模型相似,一般预测的分离点过早。综合考虑,笔者的数值模拟计算均采用RNG k-ε湍流模型。

  

图3 湍流模型模拟结果与试验数据的对比

Fluent中嵌入的3种空化模型:FCM空化模型采用等温假设,考虑了所有一阶因素对空化的影响(相变、气泡运动、湍流压力波动及不凝气体等);ZGB空化模型假定所有气泡具有相同的尺寸,相间的质量输运率和单个气泡的质量变化率由空泡数密度决定;SS空化模型将空泡密度与气相体积分数联系起来求解输运方程。笔者分别采用上述3种空化模型和RNG k-ε湍流模型,数值模拟研究了空化数为0.81时二维翼型附近空化流场的流动情况。图4所示的计算结果表明ZGB空化模型吸力面压力系数曲线上升较早,饱和蒸汽压段的长度小于FCM与SS空化模型的计算结果,这表明ZGB空化模型计算的翼型表面空化区长度小于FCM和SS空化模型计算的长度。其中SS空化模型与试验所得数据最为接近,并与图5中的气相体积分数分布规律相吻合。

  

图4 3种空化模型计算结果与试验数据的对比

  

图5 气相体积分数云图

对SS空化模型中的空泡数密度这一参数进行修正,数值计算了空泡数密度nB取1×107、1×108、1×109、1×1010、1×1011、1×1012、1×1013情况下的二维翼型流场。图6表明空泡数密度较小时,难以准确预报实际空化过程,当空泡数密度nB=1×1010后,计算结果与试验结果相一致,且收敛较快具有非常好的计算经济性。故将SS空化模型的空泡数密度由默认值修正为1×1010。综上,笔者的数值模拟研究均采用修正后的SS空化模型。

  

图6 不同空泡数密度计算结果与试验数据对比

4.3 二维水翼空化流场分析

4.3.1 速度分布

采用修正后的SS空化模型模拟计算得到了空化数为0.81时翼型附近的空化流场。图7的压力等值线图表明,翼型吸力面流体速度增大导致这个区域压力降低,当压力下降至饱和蒸汽压之下时,这个局部区域中的水发生相变形成气相空腔。如图8所示,当环境压力高于饱和蒸汽压时,气相空腔溃灭,吸力面前半段充满气相,后半段是气液两相混合区,尾部形成回射流漩涡。

  

图7 压力等值线图

  

图8 水翼气相体积分数和流线图

4.3.2 不同空化数模拟结果分析

笔者采用前文验证的计算模型计算了空化数分别为0.45、0.60、0.65、0.75、0.79、0.80、0.85、0.90、1.00和1.20共10个流动工况下NACA 0009翼型附近的空化流场。在保证其他参数一致的情况下,通过改变出口压力值来获得不同的空化数,图9表明翼型气相体积分数云图与翼型吸力面压力系数饱和蒸汽压段之间的对应关系。将吸力面压力系数上升前点2与压力系数初始降至饱和蒸汽压点1的差值定义为空化区域的长度,计算并提取了不同空化数下空化区域的长度(图10)。从图中可以看出随着空化数的减小,翼型吸力面空化区长度逐渐增大,当空化数小于0.79后空化区长度增长更为显著,流体机械受到空蚀破坏的瞬时溃灭压力和范围将更大。故对于水力机械,应调节出口压力值,使流体机械在较大的空化数条件下运行,避免空化现象的发生,保护水力机械,使它安全稳定运行。

  

图9 空化区长度与翼型表面静压力 系数的关系曲线

  

图10 空化区长度随空化数变化曲线

5 结论

5.1 对NACA 0009水翼进行结构化网格划分,通过RNG k-ε湍流模型、SS空化模型计算得到二维翼型空化流动,模拟结果与试验数据具有较好的一致性,计算收敛速度较快且提供的流场信息更详尽细致,验证了数值计算所采用计算模型的适应性与准确性。

5.2 通过修正SS空化模型中空泡数密度这一参数,分析得到当空泡数密度nB=1×1010时,计算收敛最快。采用修正后的空化模型模拟得到NACA 0009水翼空化流场,在翼型吸力面形成空化腔,在空化腔尾部形成回射流。

且通电导体在磁场中运动的时候,电子相对于磁场的速度是电子在导体中运动的速度和导体相对于磁场运动的速度的合速度。由此可见,安培力的速度方向是垂直导体的,而洛伦兹力的方向是与电子相对于磁场的速度方向垂直的。力是矢量,其方向不同,所以力不相同,因此我们可以得到在导体运动时导体受到的安培力与导体中粒子所受洛伦兹力的矢量和,并不是完全等效的。

将拌好的料用直径18~22厘米,长40~50厘米的塑料袋装袋制棒。将菌种掰成小块,先在塑料袋底放入一层料,培养料装入袋内2厘米厚时加入菌种一层,装至袋内l/2时再加菌种约一把。如此反复装3层菌种4层料,每袋装干料1.25~1.5千克,接菌种量l5%~20%。装好后,用小钉或牙签在菌块周围扎5~8个小孔,以利菌块透气。500千克干料可装400个菌棒。菌棒重量约为3千克。

5.3 通过改变出口压力值模拟得到不同的空化数条件下,二维翼型空化流场并提取了不同空化数下的空化区长度,得到了翼型空化区长度随着出口压力的增加即空化数的增大而减小。对于水力机械,应控制出入口的压差,尽量使它在较大的空化数条件下运行,避免机械表面空化损伤的发生。

(4)结合医院的实际情况,选择有效的医疗成本核算方法,以满足新政府会计制度对医疗成本核算的要求。依照医疗项目活动的作业成本特征,运用作业成本核算法,分次计算出医疗的项目成本和病种的总成本。

参 考 文 献

[1] Wargan W B.Cavitation Effects on Marine Devices[J].Transaction of the ASME,1969,91(5):67~75.

[2] 黄继汤.空化与空蚀的原理及应用[M].北京:清华大学出版社,1991:3~10.

[3] 周婷婷,袁成清,曹攀,等.柴油机喷油嘴内流体冲刷腐蚀的数值模拟分析[J].中国腐蚀与防护学报,2014,34(6):574~580.

[4] Singhal A K,Athavale M M,Li H,et al.Mathematical Basis and Validation of the Full Cavitation Model[J].Journal of Fluids Engineering,2002,124(3):617~624.

[5] Kozubková M,Rautová J,Bojko M.Mathematical Model of Cavitation and Modelling of Fluid Flow in Cone[J]. Procedia Engineering,2012,39:9~18.

[6] Yuan W,Sauer J,Schnerr G H.Modeling and Computation of Unsteady Cavitation Flows in Injection Nozzles[J]. Mécanique & Industries,2001,2(5):383~394.

[7] 马相孚,魏英杰,王聪,等.温度对液氢绕水翼非定常空泡流影响的数值研究[J].水动力学研究与进展,2013,28(2):190~196.

[8] 郝宗睿,王乐勤,吴大转.水翼非定常空化流场的数值模拟[J].浙江大学学报(工学版),2010,44(5):1043~1048.

[9] 戴月进,张媛媛,黄典贵.水翼表面粗糙带对空化抑制效果的数值研究[J].工程热物理学报,2012,33(5):770~773.

[10] 刘艳,赵鹏飞,王晓放.两种空化模型计算二维水翼空化流动研究[J].大连理工大学学报,2012,52(2):175~182.

 
李雅琴,王江云,王娟,张耀玲
《化工机械》 2018年第02期
《化工机械》2018年第02期文献

服务严谨可靠 7×14小时在线支持 支持宝特邀商家 不满意退款

本站非杂志社官网,上千家国家级期刊、省级期刊、北大核心、南大核心、专业的职称论文发表网站。
职称论文发表、杂志论文发表、期刊征稿、期刊投稿,论文发表指导正规机构。是您首选最可靠,最快速的期刊论文发表网站。
免责声明:本网站部分资源、信息来源于网络,完全免费共享,仅供学习和研究使用,版权和著作权归原作者所有
如有不愿意被转载的情况,请通知我们删除已转载的信息 粤ICP备2023046998号