喷水推进泵叶顶间隙空化瞬变流动结构及演变机理

Cavitating flow structures in the tip region of a waterjet pump contained many complicated fluid phenomenon and it is very important to know its evolution and mechanism for improvement the hydrodynamic performance and cavitation characteristics. This project uses the model experimental tests, numerical simulation and theoretical analysis methods to reveal the cavitation transient flow structure in the tip clearance of waterjet pump. The research works are organized as following: The three dimensional hydrofoil considering the gap size effects is designed and the observation of tip clearance vortex cavitation was carried out. Dynamic SGS model based on the high-order Taylor assumption was proposed and used to accurate simulate the vortex cavitation. The model test and numeric simulation of the waterjet pump was carried out to analyze the unsteady vortex cavitating flow, which will explain the relationship between the types of vortex cavitation and pressure fluctuations and reveal the interaction between vortex and cavitation. Finally, vortex dynamics diagnostic analysis was used to illustrate some mechanism of internal flow of waterjet pump. The present research can provide technical support for the enhancement of marine propulsion technology and may help to solve some key issues of hydro machine, which have great important academic value and application value.

喷水推进泵叶顶间隙区空化流动结构包含着诸多复杂流动现象，其演变规律和机理的认识和把握对改善喷水推进泵水动力乃至空化性能有着根本性的影响。本课题采用模型实验、数值模拟和理论分析相结合的方法，以揭示喷水推进泵叶顶间隙空化瞬变流动结构及演变机理为目标，拟开展以下研究内容：设计可考虑不同间隙影响的三维水翼，开展多工况的叶顶间隙区漩涡空化机理试验；构建基于速度高阶Taylor展开的动态SGS模型，发展适合于漩涡空化的高精度模拟方法；开展喷水推进泵的模型试验和数值模拟研究，分析间隙区的漩涡空化流动及演化，阐述喷水推进泵内各类漩涡空化类型、空化形态与压力脉动之间的关系，揭示漩涡与空化相互作用的规律和物理机制；开展喷水推进泵内涡动力学诊断分析，建立空化漩涡演化与宏观水动力学特性的本质关联性。研究成果可为增强我国船舶推进技术水平和解决水力机械学科的关键科学问题提供技术支撑，具有重要的学术价值和工程应用价值。

喷水推进泵叶顶间隙流动涉及梢涡、泄露涡以及边界层流动等多种流动问题，而且其常常与空化相伴而生，流动机理十分复杂，因此研究喷水推进泵叶顶间隙空化瞬变流动结构及演变机理对现代高速船舶设计及安全平稳运行具有重要的参考价值，同时也丰富了空化水动力学的理论体系，具有重要的科学意义和广阔的应用前景。本研究重点以三维水翼和M1704型喷水推进泵为研究对象，开展了相关的机理实验、数值模拟及理论分析。揭示了壁面边界层对三维水翼间隙涡空化的影响规律及具体作用机制，在此基础上提出了一种凸缘-沟槽复合式叶顶间隙泄露涡空化抑制方法，为工程中控制该问题提供了新的手段；发现了间隙涡空化流动中特有的气核富集现象，并通过理论分析定量地评估了气核在梢涡空化过程中的影响，并提出了一种考虑气核效应的欧拉-拉格朗日耦合空化模型，显著改善了间隙涡空化模拟的精度；系统地阐述了间隙空化的初生、发展、溃灭等过程的演变规律，深入分析了间隙涡空化中空化与漩涡及湍流的相互作用机制，揭示了涡空化内部涡量逐渐减小的原因，发现湍动能的扩散项是涡空化内部高湍动能的原因；提出了一套喷水推进泵叶顶间隙空化模拟方法，详细阐述了间隙空化在不同时刻的时空演变规律以及涡与空化相互作用机制，并初步建立了喷水推进泵涡量流诊断方法，为喷水推进泵间隙空化的控制和水力性能的改善提供理论基础。相关的研究成果已在中国船舶工业集团708研究所喷水推进泵的优化设计中得到应用，有力的推动我国高速舰船空化减振降噪技术的研究。