射流抑制水翼/螺旋桨梢涡空化研究
近日收到 Physics of Fluids 编辑部的好消息,刘亢硕士为第一作者,小二为通讯作者的论文 Tip vortex cavitation suppression and parametric study of an elliptical hydrofoil by water injection 正式在线发表(DOI:https://doi.org/10.1063/5.0130192,可点击文末阅读原文查看)。
本研究面向水翼/螺旋桨梢涡空化抑制的实际工程需求,聚焦于共性技术和基础原理探索,为我们与海军工程大学合作完成。
论文以 NACA0012型椭圆水翼为研究对象,对全湿流和空化流工况下的水翼梢涡流场进行了研究,并重点分析了主动射流位置、角度及速度对椭圆水翼升阻力系数、梢涡流场演化以及梢涡空泡结构所产生的影响。
▲ 椭圆水翼几何及射流开口位置
什么是梢涡空化?
空化,是局部区域内流体压力低于饱和蒸汽压时,液体由液相向气相转变的过程。根据结构不同,空化可分为游移空化、片空化、云空化、涡空化和超空化等。
梢涡空化(Tip Vortex Cavitation, TVC),是涡空化的一种,该空化现象常见于螺旋桨、椭圆水翼等易产生梢涡的设备之上。
▲ 试验时水翼梢涡空泡结构
主动射流什么鬼?
主动射流是流动控制方法的一种,该方法的主要思路是将质量以及动量引入流场来干扰流动,通常是向空化区域附近流场喷射水、空气、难溶气体或其他抑制空化产生的聚合物等来改善其流动条件从而达到控制空化的目的。
该方法可通过在螺旋桨等设备内部布设流道并在表面开设射流孔,从而实现向局部流场内喷射高速流体进而实现空化抑制效果。
▲ 螺旋桨中布置的主动射流流道
经试验验证,主动射流可以有效降低梢涡空化的发展长度。但是,其内部的流动机理和作用机制还不甚清晰,因此进行主动射流对水翼梢涡及其空化抑制作用的模拟工作,探究主动射流对空泡抑制作用的机理具有非常重要的理论和实际意义。
主要结论
本文通过在NACA0012型椭圆水翼叶梢中心线(垂向射流)及偏吸力面位置(侧向射流)开设射流孔,探究了主动射流对水翼梢涡空化的影响,同时分析了射流角度及射流速度对结果的影响。
射流对水翼梢涡空化的影响
▲ 三种工况下空泡形态对比:(a) 无射流;(b) 垂向射流;(c) 侧向射流
结果显示,主动射流对梢涡空泡的抑制效果极好,在不进行开孔射流时,水翼梢涡的空泡体积为1.75e-7 m^3,在侧向射流工况下,空泡体积降低为0.58e-7 m^3,其抑制率可达到67%;垂向射流的效果较低,但仍可达到39%。
射流对梢涡流场的影响
▲ 三种工况下梢涡流场对比:(a) 无射流;(b) 垂向射流;(c) 侧向射流
观察云图中的梢涡结构和流线变化趋势可发现,射流对梢涡流场的作用机制可分为两种方式:
侧向射流工况下,流体可直接作用在水翼梢涡的核心区域,高速流体导致水翼梢涡结构变形严重,使得涡核区域内流动的无序性增加,梢涡的定向旋转强度降低,从而抑制梢涡空化的发生;
而垂向射流流体的混入,则是通过有效改变梢涡入射流的方向,降低水翼梢涡的旋转强度,从而削弱涡核处的压降。
下图是三种工况下的梢涡流场的云图演化。
▲ 三种工况下梢涡演化对比:(a) 无射流;(b) 垂向射流;(c) 侧向射流
不同的射流角度和速度又会产生什么影响呢?
▲ 射流速度及角度示意图
定义沿水翼展向方向的射流角度为0度,沿水翼法向方向的射流角度为90度,从0-90deg,将主动射流角度划分为7个等级;同时,定义计算域来流速度(6m/s)为标准,从0至2,将射流速度划分为5个射流等级,探究NACA0012型椭圆水翼梢涡空泡随射流速度及角度的变化趋势。
▲ 不同射流速度下的梢涡空泡形态:(a) Vj = 0 m/s, (b) Vj = 3 m/s, (c) Vj = 6 m/s, (d) Vj = 9 m/s, and (e) Vj = 12 m/s
▲ 不同射流速度下水翼梢涡空泡体积及其空泡抑制率
结果显示,一定程度地增加射流速度可有效增加主动射流的梢涡空泡抑制效果,但如果过大地增加射流速度反而可能适得其反。
▲ 不同射流角度下的梢涡空泡形态:(a) 无射流, (b) αj = 0°, (c) αj = 15°, (d) αj = 30°, (e) αj = 45°, (f) αj = 60°, (g) αj = 75°, and (h) αj = 90°
▲ 不同射流角度下水翼梢涡空泡体积及其空泡抑制率
结果显示,随着射流角度的增加,主动射流对梢涡空泡的抑制效果逐渐增加,在侧向射流工况下,沿水翼法向射流对梢涡空泡的抑制效果最好。
帅 评
刘亢同学作为一名硕士研究生,能够以第一作者在PoF发表论文是非常难能可贵的,其中也是经历了一些波折,幸运的是,我们都没有放弃。作为他学习、科研、写作、投稿、修改全过程的见证者,我也有一些个人感悟,希望后面有机会分享给各位朋友们。See you next time~
文章来源:shipCFD