基于数值模拟方法的导流片和蜂窝器对空泡水洞工作段流场的影响研究

任海奎, 刘 恒, 杜云龙, 董国祥

上海船舶运输科学研究所有限公司 航运技术与安全国家重点实验室, 上海 200135)

0 引 言

空泡水洞是研究水面和水下船艇、高速巡航体及推进系统的水动力性能所需的重要设备之一,可为推进器的性能评估、设计和优化等提供试验数据[1-2]。空泡水洞主要由收缩段、工作段、扩散段、拐角段(4个)、拐角处导流片、蜂窝器、轴流泵和定子等分段或装置组成。由于空泡水洞是非常复杂的循环系统,造价较高,国内拥有相关设施的科研机构较少;同时,受计算资源等因素的影响,以往针对空泡水洞整个系统开展的数值模拟研究[3]相对较少。

目前已有很多研究人员针对空泡水洞或风洞开展数值模拟和试验研究。例如:吴宗成等[4]采用数值模拟方法对空泡水洞收缩段流场的收缩曲线进行了分析;李岩等[5]采用皮托管测速技术对大型空泡水洞的流场进行了测量;刘恒等[6]对空泡水洞工作段流体的流动品质进行了数值模拟;易小军等[7]研究了风洞中风扇系统的风扇、整流罩和止旋片等3个部件对风扇段三维流场特性的影响;谌童等[8]研究了导流片的数量、分布方式和厚度对拐角出口流场的均匀性和能量损失的影响;丛成华等[9]采用数值模拟方法对风洞三通进行了优化。

本文采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)技术对上海船舶运输科学研究所有限公司(以下简称“上海船研所”)正在运营的空泡水洞的流场特性进行数值模拟,并将所得结果与试验测试结果相对比,验证该数值模拟方法的有效性。在此基础上,分别对不含蜂窝器、不含蜂窝器和导流片的空泡水洞进行数值模拟,并对其流场特性及工作段流场的不均匀度和湍流度进行对比,分析导流片和蜂窝器对空泡水洞流场特性的影响,为大型空泡水洞的设计和优化提供参考。

1 控制方程及湍流模型

本文研究的是流动问题,基本控制方程包括连续方程和动量方程。

黏性不可压缩流体的连续性方程(质量守恒方程)和动量方程分别为

(1)

(2)

式(1)和式(2)中:ρ为流体密度;P为静压力;τij为剪切应力;ρfi为i方向的重力体积力;ui和uj分别为i方向和j方向的瞬时速度。

由于在实际工程计算中对湍流的流动进行直接模拟的代价很高,因此采用雷诺平均化方法对控制方程进行处理,得到经过简化的雷诺平均控制方程

(3)

(4)

为使式(3)和式(4)封闭,引入湍流模型SSTk-ω。该模型考虑了湍动剪切应力,能较为准确地模拟空泡水洞内的流场特性。

SSTk-ω模型中k和ω的输运方程分别为

(5)

(6)

式(5)和式(6)中:Γk和Γω为k和ω的有效扩散率;Gk和Gω为湍流生成项;Yk和Yω为湍耗散项。

2 研究对象和区域网格划分

2.1 研究对象

本文的研究对象为上海船研所正在运营的总长度为15 m的中型空泡水洞,其三维数值模型见图1。

图1 空泡水洞三维数值模型

空泡水洞工作段的纵向长度为2.6 m,横截面为带圆角的尺寸为0.6 m的正方形;导流片位于空泡水洞的4个转角处,轴流泵位于空泡水洞底端,这样布置有利于避免桨叶高速旋转产生空泡;轴流泵前端布置有三叶前置定子。水流经过图1左上方拐角之后先进入蜂窝器和收缩段,随后进入工作段。图2为轴流泵、三叶前置定子和蜂窝器三维模型。

图2 轴流泵、三叶前置定子和蜂窝器三维模型

2.2 网格划分及参数设置

黏性流场计算域网格的划分和求解是在商业软件STAR CCM+中完成的。计算域分为旋转域和外部流域,为保证流动的连续性,设置一组交界面进行数据交换。外部流域网格采用切割体网格离散,在蜂窝器、导流片、三叶前置定子及轴系等区域进行加密处理;轴流泵所在旋转域网格采用多面体网格,在导边叶梢处进行加密处理。整个计算域的网格总数约为3 200万个。图3为空泡水洞筒壁、轴流泵和前置定子表面网格分布示意图。

a) 空泡水洞筒壁

b) 轴流泵和前置定子图3 空泡水洞筒壁、轴流泵和前置定子表面网格分布示意图

3 试验测试结果与数值计算结果对比

3.1 试验测试

采用疏式毕托耙测量工作段不同位置截面的轴向流速场,毕托耙包含7个毕托管。这些毕托管与轴线之间的距离分别为R1=49 mm,R2=63 mm,R3=78 mm,R4=95 mm,R5=114 mm,R6=135 mm,R7=152 mm。调整轴流泵的转速,使工作段进口处(定位为x=0 m)截面流体的平均流速约为4 m/s,毕托耙以10°为间隔旋转,旋转1周,共测量252个点。分别测量距离工作段入口0.5 m(x=0.5 m)和1.0 m(x=1.0 m)的2个截面流体的轴向速度,进而计算出x=0.5 m和x=1.0 m处截面流体的轴向速度的不均匀度和湍流度。

3.2 不均匀度和湍流度数值计算结果处理方法

1) 轴向速度的不均匀度(工作段来流方向)为

(7)

2) 垂向速度的不均匀度(空泡水洞高度方向)为

(8)

3) 横向速度的不均匀度(空泡水洞宽度方向)为

(9)

第i个面单元的湍流度的表达式为

(10)

截面平均湍流度的表达式为

(11)

3.3 数值计算结果

由于毕托管与毕托耙中心之间的最大测量距离约为150 mm,为使数值计算工况与试验测试工况保持一致,在数值模拟中同样对工作段x=0.5 m和x=1.0 m(即距离工作段入口0.5 m和1.0 m)处尺寸为0.2 m×0.3 m的长方形区域流体的不均匀度和湍流度进行计算。图4为该研究区域在工作段横截面中的位置,其中最外侧带倒圆的正方形为空泡水洞工作段筒壁。

图4 研究区域在工作段横截面中的位置

根据3.2节所述数据处理方法对数值计算结果进行分析,结果见表1、图5和图6。由表1、图5和图6可知,数值计算结果与试验测试结果的吻合性较好,证明采用该数值模拟方法对空泡水洞流场进行数值模拟是可行的。

表1 工作段截面轴向速度不均匀度和湍流度的试验测试结果与数值计算结果对比

a) 数值计算结果

b) 试验测试结果图5 x=0.5 m试验测试处截面轴向速度分布的数值计算结果和试验测试结果

a) 数值计算结果

b) 试验测试结果图6 x=1.0 m处截面轴向速度的数值计算结果和试验测试结果

4 蜂窝器和导流片对空泡水洞工作段流场特性的影响

为研究蜂窝器和导流片对空泡水洞工作段流场特性的影响,在对空泡水洞完整模型进行数值模拟的同时,分别对不含蜂窝器、不含蜂窝器和导流片的空泡水洞模型的流场特性进行数值模拟,分析空泡水洞工作段截面(x=0.5 m和x=1.0 m)流体的不均匀度和湍流度。为更深入地探索蜂窝器和导流片对空泡水洞工作段流场特性的影响,对蜂窝器前后截面与工作段截面流体的速度分布进行对比分析。图7为完整的空泡水洞模型,以及不含蜂窝器、不含蜂窝器和导流片的空泡水洞模型。

a) 完整模型

b) 不含蜂窝器模型

c) 不含蜂窝器和导流片模型图7 完整的空泡水洞模型,以及不含蜂窝器、不含蜂窝器和导流片的空泡水洞模型

4.1 数值计算结果

表2为空泡水洞工作段截面流场不均匀度和湍流度的数值计算结果。由表2可知:相比完整模型,不含蜂窝器模型工作段水流的平均速度要大一些,这是由于蜂窝器在起到整流作用的同时,有一定的阻塞作用;不含蜂窝器模型的轴向速度的不均匀度与完整模型比较接近,但其垂向速度和横向速度的不均匀度相比完整模型显著增大,导致其湍流度增大,这说明蜂窝器的主要作用是消除工作段水流的垂向速度和横向速度;不含蜂窝器和导流片模型的平均水流速度相比另外2种模型出现较大的衰减,且该模型3个方向水流速度的不均匀度和湍流度均有很大幅度的增加,这说明若没有导流片的导流作用,水流在通过拐角时流动不顺畅,进而使进入收缩段和工作段的水流的速度下降。

表2 空泡水洞工作段截面流场不均匀度和湍流度的数值计算结果

4.2 局部截面速度和湍流度分布

为进一步分析蜂窝器和导流片对空泡水洞工作段流场特性的影响,分别对完整模型、不含蜂窝器模型、不含蜂窝器和导流片模型的中纵剖面的速度分布、工作段截面(以x=0.5 m截面为例)的速度和湍流度,以及蜂窝器前后截面的速度分布进行分析,结果见图8～图12。

a) 完整模型

b) 不含蜂窝器模型

c) 不含蜂窝器和导流片模型图8 完整模型、不含蜂窝器模型、不含蜂窝器和导流片模型的中纵剖面速度分布

图9 完整模型、不含蜂窝器模型、不含蜂窝器和导流片模型x=0.5 m处的速度和湍流度分布

图10 截取的蜂窝器前后截面的位置示意图

图11 完整模型、不含蜂窝器模型、不含蜂窝器和导流片模型蜂窝器前截面速度分布

c) 不含蜂窝器和导流片模型图12 完整模型、不含蜂窝器模型、不含蜂窝器和导流片模型蜂窝器后截面速度分布

由图8可知,蜂窝器对空泡水洞的流场特性的影响不大,但4个拐角处的导流片对空泡水洞的流场特性的影响较大,能使水流的流动方向发生改变,在很大程度上消除流动分离,使水流的流动更顺畅,相应地减小非定常流动产生的流动噪声和能量耗散。

由图9可知,对于距离工作段入口0.5 m的截面,完整模型与不含蜂窝器模型的轴向速度的分布比较接近,而横向速度和垂向速度的分布有明显差异。

由图11和图12可知:完整模型与不含蜂窝器模型的蜂窝器前截面速度的分布基本一致;完整模型的水流在经过蜂窝器之后的轴向速度呈孔状分布,垂向速度和横向速度明显减小;不含蜂窝器和导流片模型的蜂窝器前后截面速度的不均匀度明显比完整模型和不含蜂窝器模型高。

5 结 语

本文采用CFD黏流方法对空泡水洞的流场进行了数值模拟,并对数值方法的有效性进行了试验验证。在此基础上,分别对不含蜂窝器空泡水洞模型、不含蜂窝器和导流片空泡水洞模型的流场特性进行了数值模拟,主要得到以下结论:

1) 运用数值模拟方法能较为有效地对空泡水洞的流场特性进行模拟,数值计算结果与试验测试结果的吻合性较好,证明了数值模拟方法的可行性和有效性。

2) 由试验测试结果可知,上海船研所正在运营的空泡水洞的工作段流场的不均匀度较低,能很好地满足试验要求。

3) 该空泡水洞中的蜂窝器的主要作用是消除工作段流体的垂向速度和横向速度,对轴向速度的分布和流经蜂窝器水流的平均速度的影响较小。

4) 4个拐角处的导流片对空泡水洞的流场特性的影响较大。导流片能使水流的流动方向发生改变,在很大程度上消除流动分离,使水流的流动更顺畅,减小流动噪声和减少能量耗散,保证空泡水洞工作段水流的速度和流动均匀性。