基于空泡群动力学的空化模型与空化流动计算方法研究

Cavitation is the key issue in the high-speed underwater propulsion, which can result in structure failure and acoustic. This research project focuses on the internal field of cavitating flow and its macro effects, and aims at the new numerical method. Theoretical analysis combined with numerical simulation are adopted to study the relation between the distribution of bubbles and dynamic characteristic of bubble cluster, based on which a cavitation model will be proposed. With the assistant of flow field analysis, the key parameters are acquired. The influence of parameters on involution of bubble cluster and a corresponding numerical model will be achieved using numerical simulation and theoretical analysis. Finally, a full numerical method which can describe the state of bubbles and their macro effects will be established through secondary development, and will be tested by experiment. The expected research results can make some progress in detailed simulation on cavitating flow and support the engineering design.

空化可能导致系统运行异常、结构破坏、噪声等问题，是水下高速推进面临的主要问题之一。本项目围绕空化内部流场及其宏观效应，开展计算方法研究。通过数值模拟和理论推导，分析气泡分布状态对气泡群宏观特性的影响规律，建立包含气泡群效应的空化模型；通过流场分析获取影响气泡状态的主控流场参量，并采用数值模拟和理论分析总结其对气泡输运和演化的影响规律，进而基于输运方程建立相应的数值模型；最后，在基于大涡模拟和均相流动的计算平台上进行二次开发，建立能够描述空化区内气泡状态和宏观效应的计算方法并进行验证。通过该项目有望在空化流动精细数值模拟方面做出进展，为工程设计提供新的方法。

空化现象是水下高速航行体和高速推进技术面临的主要问题，其可能诱发噪声、系统运行异常、结构振动甚至破坏等负面影响。随着计算机技术的高速发展，数值模拟逐渐为空化研究的有力手段。现有的空化模型大多只能给出空泡的体积分数，难以准确描述空化流动的内部结构。对于相同体积分数下的不同空化结构来说，气泡间的相互作用会对溃灭特征产生较大影响。为了掌握空化区内部结构信息、准确地预测空化溃灭的特征，进一步揭示空化流动的机制，本文建立了能够描述空化区内部结构及其对宏观流场影响的数值模型。首先，本文在均相空化模型的基础上，引入气泡数密度输运方程，并基于气泡分裂的物理模型推导了对应的气泡数密度源项，建立了空化区内部结构演化模型。其次，本文基于气泡动力学方程推导得到了包含气泡数密度影响的空化相变模型，将其与气泡数密度输运方程耦合，建立了一套宏-微观相结合的空化流动计算模型。为了考虑气泡间的相互作用对溃灭的影响，文章进一步通过气泡群溃灭过程的量纲分析和直接数值模拟建立了包含气泡相互作用的空化相变率模型。本文以钝锥头航行体云状空化流动的模型实验结果为验证依据，说明了建立的模型不仅能够捕捉宏观空泡形态的演化，还可以给出丰富的空化区内部结构信息。同时，本文还利用新的模型讨论了云状空化的形成机制，以及回射流对空化区内部结构演化的影响，显示了空化流动新模型的优越性。