基于FLUENT软件的超声空化数值模拟

论文摘要

长期以来,空化空蚀严重影响阀门、水泵、水轮机过流部件和轮船螺旋桨的性能和使用寿命。空蚀导致效率下降,甚至危及正常运行,造成十分惊人的能源和材料损失。本文利用FLUENT软件,对超声空化进行数值模拟。通过观察流场内的绝对压力、汽含率以及流体速度的变化,分析了超声空化的发生机理和影响因素。得到主要结论如下:（1）试样振动时,试样中间区域由于高低压变化较大,汽含率变化剧烈,为主要空化区域。边缘区域的压力在流场变化过程中始终高于水的汽化压力,汽含率很低,发生空化的几率很小。该区域始终受到试样周边流体绕流的作用,会对试样的两个边缘产生“磨削”破坏。在次边缘区域,水蒸气泡在快速流动的过程中溃灭,因而会对试样表面造成辐射状“划痕”。（2）与试样振动的试验方法相比,固定试样方法的试样表面两边区域的流体速率变化更大,承受的压强也更高。因此对试样边缘材料的破坏程度较大,“磨削”程度更明显。在试样中间区域的压降幅度较大,汽含率也在瞬间下降很大。由此可见,该方案对试样表面中间区域的空蚀破坏程度更大。（3）密度和质量力的欠松弛因子的取值影响模拟结果的准确性;RNGk-ε模型对低压较敏感;非平衡壁面函数与增强壁面函数对贴近壁面处的流体压力变化更加敏感;水温越高,水的汽化压高,流场内的高低压降幅越小,压力变化越稳定,而试样表面的气含率分布差异更大;不可压缩气体质量分数越大,试样表面压降幅度越小。同时,试样表面的平均汽含率越高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 空化及其类型
• 1.1.1 空化和空蚀的概念
• 1.1.2 空化分类
• 1.1.3 超声空化概述
• 1.2 空化与空蚀的研究进展
• 1.2.1 空化现象的早期研究
• 1.2.2 空化现象的近期研究
• 1.3 问题的提出和本文的主要工作
• 1.3.1 问题的提出
• 1.3.2 本文的主要工作
• 第2章 计算流体动力学数值模拟
• 2.1 计算流体力学概述
• 2.2 流体动力学控制方程
• 2.2.1 质量守恒方程
• 2.2.2 动量守恒方程
• 2.2.3 能量守恒方程
• 2.3 商用软件FLUENT简介
• 2.4 空化研究的数学模型
• 2.4.1 多相流模型
• 2.4.2 空泡动力学模型—Rayleigh-Plesset方程
• 2.4.3 空化模型
• 第3章 试样振动条件下超声振动流场的数值模拟
• 3.1 磁致伸缩超声振动空蚀设备
• 3.2 试样振动条件下超声振动流场的数值模拟
• 3.2.1 模型建立
• 3.2.2 流场计算的参数设置
• 3.2.3 流场计算及后处理
• 3.3 本章小结
• 第4章 试样固定条件下超声振动流场的数值模拟
• 4.1 模型建立
• 4.2 流场计算及后处理
• 4.2.1 无空化模型的流场模拟
• 4.2.2 加入空化模型的流场模拟
• 4.3 本章小结
• 第5章 各种参数对模拟结果的影响
• 5.1 控制参数对数值模拟的影响
• 5.1.1 欠松弛因子的影响
• 5.1.2 湍流模型的影响
• 5.1.3 壁面函数的影响
• 5.2 物理参数的影响
• 5.2.1 汽化压强的影响
• 5.2.2 不可压缩气体质量分数的影响
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 研究生履历