基于输运方程类空化模型的通气空泡流数值模拟

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1、第30卷第3期力学季刊Vo1．30No．32009年9月CHINESEQUARTERLYOFMECHANICSSep．2009基于输运方程类空化模型的通气空泡流数值模拟郭建红，鲁传敬，陈瑛，潘展程(1l上海交通大学船舶海洋与建筑‘r程学院．上海200240；2．海洋工程国家重点实验室，上海200030)摘要：超空泡流动涉及多相、相变、湍流、可压缩性和非定常特性等复杂情况，亟待发展相应的精细数值模拟方法和计算软件。本文基于均质平衡流理论和输运方程类空化模型，提出了复杂气、汽、水多相的通气空泡流数学模型，采用有限体积方法和SIMPLE算法，建立了求解混合介质的雷诺平均N—

2、S方程、湍流方程、各组分质量分数输运方程的数值模拟方法，自主开发了相应的三维计算程序。模拟了绕圆盘的轴对称通气超空泡流，计算结果Lj经典的近似公式、半经验公式及试验数据吻合良好，验证了数学模型和数值计算方法能够正确预报通气空泡流场的基本空泡形态和流场动力特性。关键词：通气超空泡；多相流；数值模拟方法中图分类号：0359．1，0427．4文献标识码：A文章编号：0254．0053(2009)03—378—07NumericalSimulationofVentilatedCavitatingFlowBasedonCavitationModelSolvingTranspor

3、tEquationsGUOJian—hong。LUChuan—Jing。，CHENYing，PANZhan—cheng(1．SchoolofNavalArchitecture，OceanandCivilEngineering，ShanghaiJiaotongUniversity，Shanghai200240，China2．StateKeyLaboratoryofOceanEngineering，ShanghaiJiaotongUniversity，Shanghai200030，China)Abstract：SupercaVitatingflowwasaverycomp

4、lexhydrodynamicsproblemrelatingtomultiphaseflow，phasechange，turbulence，compressibilityandunsteadycharacteristics．Inordertopredictthecavitatingphenomena，theaccuratenumericalmethodandsoftwarearerequired．Basedonthehomogenousequilib—riumflowassumptionandcavitationmodelsolvingspeciestranspor

5、tequations，amathematicalmodelforthepredictionofventilatedcavitatingflowofgas，vaporandliquidwaspresented．Anumericalapproachwasestabliched，inwhichtheFiniteVolumeMethodandSIMPLEalgorithmwereappliedtodiscretizeandsolvethemixtureReynolds—AveragedN—Sequation，turbulentequationsandconstituentma

6、ssfractione—quations．A3Dcodewasdevelopedhere．Theventilatedsupercavitatingflowoveranaxisymmetricdiskwascalculated．Theresultsaregoodagreementwiththeapproximationsolutions，empricalvalueandex—perimentaldata．Itindicatedthatthemathematicalmodelandnumericalalgorithmarevalidforpredictingthecavi

7、tymorphologyandhydrodynamicscharacteristicsofflowfield．Keywords：ventilatedsupercavity；multiphaseflow；numericalsimulationmethod超空泡技术可使水下航行体所受阻力减小9O％左右。通过往航行体头部空化器后的低压区内注入气体，可生成通气超空泡。对通气空泡流的研究关系到水下气体射流，气、汽、液相之间的质量、动量、能量交换、空泡界面及其内部和尾部的流动结构等等，可归结为一个多相、非定常的三维湍流流动问题。对这一复杂问题的数值模拟方法正在不