动边界绕流空化与湍流相互作用特性与机理研究

Cavitation occurred in hydraulic machineries is a kind of multi-scales，highly unsteady phenomenon with strong shear turbulence and complex rotating boundary conditions. The research on the interplay between the cavitating flow with moving-boundary and transient turbulent flow characteristics at unsteady load operation can greatly contribute to the research of cavitation, as well as the advanced technology in the fields of hydropower, irrigation and drainage related to national economy. Based on the plenty of research experience and sophisticated facilities in experiment and calculation. In this project, the refined measurement technique and a synchronous multi-physical field with post-processing and analysis system is proposed to capture the cavitating flow structures. Meanwhile, the numerical method for the unsteady cavitating flow with moving-boundary is developed. Combined experimental and computational modelings are applied to investigate the physics of the transient cavitating flows and cavitating-vortex interaction, with focus on the interplay between the structural motion, transient cavitating flows and the hydrodynamic characteristics.

水力机械内部流动可概括为高雷诺数、多尺度、多参考系下的非均匀、非定常、强切变湍流，并且流场具有复杂旋转边界条件。研究水力机械非稳态变载荷运行条件下动边界绕流空化与湍流相互作用，不仅是学科发展的内在必然，同时也关系到和水力发电、机电排灌等国民经济等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具备的实验与计算条件，针对水力机械变工况瞬态过程的空化问题，研究动边界绕流空化湍流结构精细测量技术，并实现多系统试验数据的同步测量和分析；研究动边界绕流空化多相湍流流动数值计算方法；采用数值与试验相结合的方式研究动边界绕流复杂空化流动多相旋涡演化机制和流动规律，揭示空化初生、发展和溃灭过程与湍流旋涡结构的演化规律和作用机理，揭示结构运动、空化多相复杂湍流流动与水动力学特性之间的作用机制。

本项目针对我国国防和水利水电等工程领域亟需解决的动边界绕流水动力学关键问题，研究不同空化条件下绕振荡水翼的流场结构及动力特性。主要研究工作及创新性成果如下：.建立了绕振荡水翼非定常空化流动的多物理场同步试验测量系统，并开展了系列的实验研究。基于空化水洞实验平台，设计并制作了振荡水翼驱动装置，开发了振荡水翼运动精确控制软件。综合运用高速摄像、粒子成像测速 (PIV) 以及动态力矩测量等技术，实现了绕振荡水翼非定常空化流动多物理场的同步测量。.发展了一种考虑动态效应的绕振荡水翼非定常空化流动计算模型和方法。考虑动边界绕流强旋转曲率特性以及湍流转捩特性，针对k-w SST湍流模型中湍动能生成项进行了动态修正。采用基于相间质量传输方程的Merkle空化模型，考虑了流场特征时间和速度对空化流动的影响作用。.揭示了绕振荡水翼湍流流动及水动力特性与振荡运动之间瞬态作用机理。相较于固定水翼，振荡运动诱导了附加升力的产生，且附加升力大小与振荡角速度呈正比。由于振荡运动方向的不同导致附加升力作用点位于振荡转轴不同的位置，进而引起水翼压力中心朝不同方向移动。此外，顺时针尾缘涡、逆时针尾缘涡以及二次涡是绕振荡水翼湍流流动中的典型旋涡结构。.获得了绕振荡水翼非定常空化流动的流场结构及水动力特性，分析总结了振荡频率对空化流动特性的影响规律。系统对比分析了无空化和初生空化的流场结构与动力特性，发现微弱的前缘空穴限制了顺时针二次涡的形成，进而削弱了动力特性曲线的波动。在片状/云状空化工况，振荡运动引起反向射流的厚度和推进速度发生改变，进而导致水翼运动过程中空穴呈现不同的断裂位置以及脱落频率。最后，分析了不同振荡频率条件下空化流动结构和动力特性，结果表明：随着振荡频率的增加，空穴平均生长速率及反向射流的推进速度均呈现下降趋势，进而导致空穴脱落频率下降，同时空穴内部的逆时针旋涡结构也随着振荡频率的增加而延迟生成。