空化热力学效应及其数值计算模型研究

高速流动中发生的空化是一种包含有汽液相变过程的复杂流动现象，在空泡的发生、发展和溃灭的过程中都存在着热力学效应。空化的热力学效应不仅是空化现象研究过程中不容回避的关键科学问题，同时也关系到航天、核能和火力发电以及水下兵器等和国家安全以及国民经济相关的重要领域的关键技术问题的解决。申请者基于已有的研究基础和实验与计算条件，发展考虑热力学效应影响的空化实验和数值计算研究体系；研究空化过程中汽液两相的物质传递机理和热力学参数、空化数等相关因素对物质传输过程的影响规律；深入了解考虑热力学效应的各阶段空化的形成和发展机理；建立考虑热力学效应的汽液两相间的质量传输模型；评价不同的湍流模型对热力学效应模拟的适用性；在现有的空化数值计算框架内耦合能量方程和流体的热力学参数，建立空化流动的数值模拟方法；通过大规模的数值模拟计算并结合水洞实验，研究热力学效应对水体和低温流体空化的影响规律。

空化的热力学效应不仅是空化现象研究过程中不容回避的关键科学问题，同时也关系到航天、核能和火力发电以及水下兵器等和国家安全以及国民经济相关的重要领域的关键技术问题的解决。在本项目的资助下，基于课题组已有的研究基础和实验与计算条件，针对空化的热力学效应及其数值模型进行了系统的研究工作。.应用实验研究的方法研究了不同温度下的水体绕水翼的空化流动，获得了不同空化数条件下，不同温度水体的空化形成和发展特性。采用高速摄影的方法观察了不同温度不同空化阶段绕水翼的空穴形态；采用粒子成像测速系统（PIV）对相应的速度和涡量场进行了研究；采用动态测力系统测量了水翼受到的升阻力，并对升力信号进行了频谱分析，得到了水翼升力在非定常空化阶段的频率特征。.基于实验数据，建立了考虑热力学效应的非定常空化计算模型。在动量方程中添加了考虑空化影响的源项；实现了计算过程流体介质的物质属性随当地温度的变化；引入了三种湍流模型和四种空化模型。基于实验结果，评价了标准 模型、修正RNG 模型和FBM模型3种湍流模型在空化热力学效应数值模拟中的适用性。热力学效应主要表现在对空化过程中质量传输过程的影响，在分析现有四种空化模型的基础上，建立了一种考虑热力学效应的修正空化模型。提出了一套适合于空化热力学效应计算的数值计算策略：均相流模型＋修正空化模型（考虑湍流脉动的影响）＋FBM湍流模型。运用上述确定的计算模型，.对不同温度下水体的非定常空化阶段进行了研究，揭示了空化热力学效应对非定常空化流动影响的规律和机理。分别针对不同温度的水体在片状、云状和超空化空化阶段的非定常过程进行了分析，给出了空穴的蒸汽体积分数、温度和压力等随时间变化，并分析了温度对逆压梯度和反向射流的影响。.研究了低温介质流体的空化特性。应该建立的考虑热力学效应计算方法，分别对水体，液氮和液氢空化流动进行了计算，讨论了不同流体介质的物质属性和速度尺度对热力学效应的影响。分析了空化热力学效应对不同流体介质影响的规律和机理。.基于本项目的研究成果，项目组共发表标注论文30余篇，到目前为止被SCI检索5篇，EI检索16篇。申请软件著作权4项。培养博士生2人，均获得北京理工大学优秀博士论文。培养硕士生10余人。获得部级科技进步奖两项。同时还和香港科技大学、美国密西根大学、日本东北大、日本大学和台湾中山大学等海外同行进行了合作研究工作。