不同尺度的气核在涡流场中的运动
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摘要
梢涡空化是船舶螺旋桨运行中最早出现以及最常见的空化类型,而又由于其会导致水动力噪声和振动,所以一直是工程师们关心和需要解决的问题,其中尤其是梢涡空化初生的预测对发展高声隐身性能的船舶是很关键的。根据前人的研究,影响初生的因素很多,包括涡核的最小压力,流场的非定常性和水质等等。这些因素之间的相互作用令初生情况更加复杂,以模型试验的空化初生预测原型的空化行为缺乏精度,尺度效应在理论和实验上一直没有取得实质性的进展。因此本文采取数值模拟方法研究水质,即自由来流中气核的浓度和尺度分布,对梢涡空化初生的影响。选取Rankine涡模拟涡流,因此在这个理想涡流下无需考虑流场的非定常性,单独研究水质的影响。此时流场中关键的相关变量是涡流环量Γ,涡核半径rc,气核初始尺寸R0和释放位置r0,适合采用拉格朗日法追踪气核,即通过求解流场作用于球泡的各个力组成的运动方程,并结合Rayleigh-Plesset方程更新气核的位置和尺寸。针对不同水质,采用"捕捉时间"来刻画空化初生现象的不同,即对于不同尺寸的气核在各个位置释放时被捕捉的时间是不同的,这个时间是气核的特征时间,与非定常场中压力脉动时间一样都是重要的时间尺度。这里的捕捉标准的设置参考文献得到,模拟结果显示,气核的捕捉时间与涡流环量成正比,与气核初始尺寸成反比,并与气核初始释放位置的四次方成正比,这些结论也可以从运动方程的近似解中分析得到。最后试图将捕捉时间这个特征量与水的抗拉强度建立联系,这样就能在梢涡空化初生中量化表达水质的影响。
引文