云空化汽液两相湍流的建模及其时空演化机理研究

Cloud cavitation is a widely observed phenomenon in ship propellers, hydraulic machineries and the related hydraulic engineering research fields. It has been a hot and enduring concerned topic due to its universal existence and significance to engineering applications. However, since it involves complicated phase transition and turbulence, it has been one of the most challenging topics. This proposed project aims to develop a two-phase turbulence model for cloud cavitation by considering mesoscopic physics, which could resolve the detailed flow structure and its statistic characteristics. With this novel turbulence model, together with the high-resolution flow field measurement approaches, we will investigate the multi-scale evolving mechanisms in the two-phase cavitation fields. The outputs of this project, which mainly include the new two-phase turbulence model, its implementation to the existing cavitaion models, and the related experimental techniques, will improve the existing numerical models for cloud cavitation in accuracy, feasibilities and prospects for applications.

云空化现象广泛存在于船舶推进、水力机械和水利工程领域中。云空化现象的普遍性和工程应用的重要性，使得它吸引了不同领域学者的长期关注和研究，然而云空化两相湍流的复杂性，也使它成为水动力学中最具挑战性的研究课题之一。本项目分析了传统空化湍流模型的不足，拟从介观尺度运动入手，解析泡液湍流的精细流场和统计特性，建立具有介观物理的云空化汽液两相湍流模型。采用所建立的模型，并结合空化流场精细测量技术，揭示云空化两相介质湍流场多尺度演化机理。本项目的研究，将形成云空化相变湍流的原创性研究成果，提升理论模型的精度、适用性和应用价值。

湍流和空化是高速水动力学的两大难题，空化的产生和溃灭会引起材料空蚀、噪声增加、效率下降以及设备振动，如何预报并控制空化一直是大型舰船、水中兵器等重大工程中的卡脖子问题。本项目从介观尺度运动入手，解析了泡液湍流的精细流场和统计特性，建立了具有介观物理的云空化汽液两相湍流模型，进一步采用所建立的新模型，并结合空化流场精细测量新技术，揭示了云空化两相介质湍流场多尺度演化机理。项目取得的主要研究进展如下：.1）发展了基于微型光纤探针的空化区内部多相介质特性与泡群速度同步测量和分析技术，首次给出了空化区汽泡泡径、数密度和速度的联合分布规律，建立了空化区汽泡群泡径分布的统计描述。.2）发展了基于动态体积力的气泡流直接数值模拟新方法，完整给出了基于雷诺数和韦伯数的气泡形态图谱，首次在大参数区间内建立了适用于非浮力驱动气泡的单泡和群泡阻力新模型。.3）系统开展了基于不同模型的泡群诱导湍流研究，揭示了气泡自身特性对气泡诱导湍流脉动的影响规律以及不同雷诺数下时间和空间脉动的主导作用，建立了气泡诱导湍流雷诺应力与体积分数、滑移速度的封闭关系式。.4）通过直接数值模拟，开展了可凝结空化泡群运动特征的研究，揭示了群泡溃灭的能量传输特征，以及泡泡耦合效应对群泡体积分数变化率的影响机制，建立了考虑群泡耦合效应的溃灭速率新模型。.5）通过实验证实了云空化泡液两相间存在显著的 “滑移”现象，基于欧拉-欧拉双流体框架，首次建立了考虑了相间“滑移”效应和群泡耦合效应的云空化汽液两相湍流数值模拟新方法，为空化流的数值预报提供了一种全新的手段。.基于本项目的研究，深化了对云空化两相湍流的机理认知，提升云空化两相湍流的模型精度和适应性，为相关工程领域空化噪声、空蚀、激振力等的预测研究提供了新方法和新模型支撑。