通气作用下片空化向云空化演变机理及调节机制数值研究

Cavitating flow with gas injection is expected to solve the key technical problems of erosion and noise in the areas of ship industry and the surface of hydrofoil. In the present project, we will study the transition and regulation mechanism from sheet to cloud cavitation in the presence of gas injection. This study advances a theoretical model and numerical algorithm to address the unsteady cavitating flow associated with the interaction within the three phases of gas-liquid-vapor. Further, advanced analysis provided more insights into the cavity evolution and vortex structures. We will develop and establish the bubble shock wave model to investigate the correlation mechanism of the shock wave and surface pressure pulsation. In order to better control transition from sheet to cloud cavitation, the focus will be placed on the influence of the gas injection pattern on the pressure pulsation and shock wave. This research will provide scientific basis and technical support to solve erosion and noise caused by cavitation of high performance ship.

向局部空化流场通入气体有望使船舶行业螺旋桨叶片和水翼表面空蚀、噪声等关键技术问题得到解决。申请者提出通气作用下片空化向云空化演变机理及调节机制研究，通过理论分析和数值计算的方法开展本项目研究工作，主要研究内容包括：发展和建立气-液-汽三相相互作用的非定常空化流动理论模型和数值算法，深入分析通气作用下非定常空化流场空泡演变和旋涡结构；建立气-液-汽三相作用的气泡冲击波理论模型，重点探讨通气空化演变过程冲击波特征与表面压力脉动关联机制；研究通气模式对压力脉动和冲击波的影响规律，掌握主动通气技术对片空化向云空化演变过程的影响机理和调节机制。本项目研究成果可为解决高性能船舶研发中空化引起的空蚀、噪声等问题提供科学依据和技术支撑。

空化流动是一种伴随着相变、湍流等非定常特征的多尺度空泡复杂流动。局部空化流动过程的非定常性是导致螺旋桨空蚀、噪声以及水力机械振动等问题出现的主要原因，也影响着水下航行体发射稳定性和空泡减阻效果。向空化流场通入不可凝结气体有望改善空化流动的负面效应。因此，掌握局部空化流动演化机理以及非定常空化流动的改善机制对解决空化的负面影响具有重要的理论意义和实际应用价值。本项目采用理论分析和数值计算相结合的方法，开展绕水翼局部空化流动演变机理及通气影响研究。首先，采用水翼模型作为研究对象，对局部自然空化流动的演变机理进行深入研究。通过空泡形态、压力波动、速度场等特性，重点分析了冲击波机制下空化流场的演化规律，深入探讨冲击波的生成机制及演化规律。其次，为探究通气对局部空化流动演化机理影响，通过在水翼前缘设置通气缝，开展通气条件下绕水翼空化流动演化特性数值计算。通过探讨空泡形态、压力脉动、速度场以及涡旋结构等参量的特性，重点分析了通气对冲击波演化机制的影响。最后，为探究通气对空化流场负面影响的改善，以水翼模型作为研究对象，进行自然空化与通气空化的预报和对比。通过对比分析压力载荷和空化流场的非定常特性以及水翼尾流场的湍流度与湍流积分尺度，评价通气对空化流场压力载荷、速度脉动以及涡旋尺度的改善效果。研究成果可为解决高性能船舶研发中空化引起的空蚀、噪声以及振动等问题和空泡减阻、水下发射等方面提供科学依据和技术支撑。