腔型分离流涡空化特性与抑制方法研究

腔型分离流的涡空化现象会发生强烈的涡与汽泡的耦合作用,在此过程中并伴空泡的生成、漩涡的卷起它们的破碎等现象。此类现象的发生与流体介质、流体粘性、来流流速及压强分布等诸多因素相关，属非线性，汽-液-固多相流运动的问题。传统的欧拉多相流法不能够解决含泥沙颗粒的涡空化问题，本研究采用基于欧拉法和拉格朗法相结合的方法来研究含泥沙颗粒的腔型分离流的涡空化问题，同时采用高速摄影技术开展系列实验研究。主要研究内容为：1）基于欧拉-拉格朗日法模拟多相流的研究。2）腔型分离流的涡空化特性研究。3）腔型含沙水流涡空化特性研究。4）抑制腔型分离流涡空化方法研究。

在一定雷诺数和腔型比情况下，腔型分离流空化的重要特征是一系列的、不稳定的、小尺度的涡空泡生成、旋涡的发放、爬升和破碎，同时伴随着强烈的剪切层振荡，这是一种非常复杂的多相流运动问题。考虑到大尺度涡流的应变和旋转效应，基于速度梯度张量的平方修改了标准的大涡模拟湍流模型（Large Eddy Simulation, LES），在此基础上首次采用修改后的大涡模拟湍流模型（Modified LES）和Kubota空化模型相结合的数值算法研究和预报了高速水流作用下腔型分离流的瞬态空化问题。基于气、液两相的均相流模型，结合VOF方法扑捉到小比尺空化泡的发生位置、运动和溃灭规律，同时扑捉到与其相伴的一系列的旋涡发放卷起和破碎以及剪切层的振荡，揭示和讨论了空化泡、旋涡运动及剪切层振荡相互作用机理，给出了腔型分离空化流中壁面压力随空化数的变化规律，指出了涡和剪切层不会发生共振现象。利用所建立的湍流空化数值模型，设计和研究了腔体型体变化（即改变随边圆角比）对二维方腔结构空化特性影响机理，给出了随边圆角比对压力、速度和气体体积分数的影响规律，并提出了腔型型体设计参数，即随边圆角比为0.1时不仅可以有效地抑制游移空化泡的发生，还可以降低剪切层处涡空泡的溃灭频率。在此基础上，基于欧拉-拉格朗日法模拟了含沙水流的空化问题，研究和建立了流-固-气多项流算法来模拟沙粒对腔型分离流空化问题的影响。设计了三维腔型结构空化的试验模型和试验方案，首次在高水头水利机械实验室采用高速摄影技术拍摄完成了变压条件下、不同圆角比时腔型分离流空化观测实验，追踪和观测到剪切层处的小比尺涡和涡空泡，甚至是低压时涡空泡团汇聚和发展，为数值模拟结果提供有效的验证依据和必要的补充。