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力學所在空化流動數值模擬方法研究中取得進展

作者:杜特專 2020-07-24 15:12 來源:
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  空化是水下高速航行體和高速推進技術面臨的主要問題,不僅會誘導系統運行異常,産生噪音與振動,甚至能夠剝蝕結構表面導致破壞。其中,雲狀空化是最爲常見的一種空化類型,本質上是由大量微小空泡組成的氣泡團。只有對空化流場的微觀細節及其對宏觀效應的影響機制進行深入研究,才能掌握雲狀空化演化規律及潰滅的細節與機理,准確分析潰滅帶來的宏觀效應。 

  圍繞宏觀流場對于空化細觀尺度的作用,以及如何在均勻流場中反映細觀尺度的影響這兩個問題,研究人員建立了兩個模型:首先,通過引入氣泡數密度來表征空化區內部結構,並建立氣泡數密度的輸運方程來模擬雲狀空化內部演化。其次,通過量綱分析和空泡群的直接模擬建立了基于空泡群的空化模型。這樣就形成了一個宏觀-細觀耦合的計算方法。並利用該方法對于雲狀空化的形成機制與潰滅壓力特征進行了分析。 

  利用該模型,研究人員對雲狀空化流動的機理有了更進一步的認識:獲得了更豐富的流場信息,揭示了空化區從透明層狀空泡向不透明雲狀空泡的演化機制:回射流與空泡的相互作用。回射流越強,空化區越容易破碎成小氣泡。 

 

 图1 空泡形态演化过程

图2 回射流导致云状空泡的形成

  其次是細觀結構對潰滅的影響機制。與當前最常用的Singhal模型進行對比,當前模型能夠准確地刻畫出由氣泡數密度分布不均勻導致的局部高壓。基于氣泡群的模型獲得的潰滅壓力,與直接模擬獲得的氣泡群加速潰滅的特征一致。 

 

图3 气泡群加速溃灭形成更高压力

 

图4 空化模型的对比

 

   空化流動的微觀機理及宏觀效應是一個多尺度的問題。當前的工作僅僅是初步搭建了框架,未來還需要從小尺度空化流動微觀物理機制上逐步深入,研究空泡在不同湍流流動中的相變過程、分裂、融合以及氣泡間相互作用等細觀尺度的行爲,爲建立相應的物理模型奠定基礎。 

  相關研究成果發表在Physics of Fluids. 2016, 28(7)International Journal of Multiphase Flow, 2020, 129。上述研究工作得到了國家自然科學基金的資助。 

 

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