[发明专利]一种空化可压缩流动激波动力学数值模拟方法

说明书

本发明公开的一种空化可压缩流动激波动力学数值模拟方法，属于空化可压缩流动、激波动力学数值模拟领域。本发明基于三维几何建模软件建立三维计算流域；基于网格划分软件划分三维计算流域网格；建立空化可压缩流动计算流体力学模型；设定初始边界条件进行三维计算域流场数值计算；基于流场后处理软件对计算结果进行后处理，获得多相空泡结构的非定常演化过程。本发明有助于对空化物理机制的深入研究，能够应用于空化可压缩流动、激波动力学数值模拟领域并解决相关工程问题。空化可压缩流动、激波动力学数值模拟工程应用领域包括水力机械、船舶螺旋桨、航空涡轮泵诱导轮、水下超空泡武器应用。

技术领域

本发明涉及一种空化可压缩流动激波动力学研究的数值模拟方法，属于空化可压缩流动、激波动力学数值模拟领域。

背景技术

空化发生于高速水流的低压区域，是包含剧烈相间质量、动量和能量交换，相变和湍流的复杂多相流动，是水力机械、船舶螺旋桨、航空涡轮泵诱导轮、水下超空泡武器等工作中不可避免的现象，空化的发生会诱导剧烈的压力脉动、振动和噪声。对空化机理的深入认识，是工程上有效抑制不利空化发生、规避空化破坏的前提，具有重要科学意义和工程价值。空化以不同尺度蒸汽空穴的产生、聚合、溃灭为特征，具有复杂的空泡/空泡团-湍流结构相互作用，精确地实验测量非常困难，数值模拟是空化研究的重要手段。

空化流动是具有高度压缩性的含相变可压缩多相流动，在空化数值模拟中，往往基于相间平衡和不可压缩假设，认为汽/液相间速度、压力、温度平衡，且汽/液密度不变，不可压缩空化数值模拟方法可以对空化不稳定现象如，附着型空穴生长、回射流产生及其推进、空穴断裂及空泡脱落过程进行预测，然而无法对涉及空化压缩性的如空化诱导压力脉动、压力脉冲、空穴溃灭现象、空化激波动力学等涉及到工程实际中关心的空化瞬态载荷问题的现象进行精确捕捉，实验表明：空穴断裂及脱落过程具有回射流机制和激波机制，激波机制会导致更加剧烈的非定常特性，激波机制与空化可压缩性密切相关。另一方面，空化流场中存在非均匀非稳态的剧烈相变过程，相变与可压缩性的耦合使得空化机理更加复杂，对数值计算提出的挑战也越大。空化流动具有汽液相间高密度比的特点，汽液压缩性差异大，同时，空化流场声速分布具有大跨度的特点，从纯水中1450m/s到汽液混相介质中3-5m/s，空化区域可达10个马赫数以上，并且，流体可压缩的引入对汽液自由界面捕捉等提出了新的挑战。发展可压缩空化流动具有重要性，也具有必要性。

OpenFOAM作为大型开源软件，是基于有限体积法的C++类库，为相关科研人员进行软件开发提供了平台，基于OpenFOAM进行综合考虑液体和蒸汽可压缩性的空化可压缩流动数值模拟研究，以实现对空化激波动力学的精确模拟，对空化物理机制的深刻认识以及工程领域中关心的实际问题的解决具有重要指导意义。

发明内容

本发明公开的一种空化可压缩流动激波动力学数值模拟方法要解决的技术问题是实现空化可压缩流动激波动力学数值模拟，有助于对空化物理机制的深入研究，能够应用于空化可压缩流动、激波动力学数值模拟领域并解决相关工程问题。空化可压缩流动、激波动力学数值模拟工程应用领域包括水力机械、船舶螺旋桨、航空涡轮泵诱导轮、水下超空泡武器应用。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的一种空化可压缩流动激波动力学数值模拟方法，基于三维几何建模软件建立三维计算流域；基于网格划分软件划分三维计算流域网格；建立空化可压缩流动计算流体力学模型；设定初始边界条件进行三维计算域流场数值计算；基于流场后处理软件对计算结果进行后处理，获得多相空穴结构的非定常空泡演化过程，所述非定常空泡演化过程包括附着型空穴生长，回射流产生及推进，空穴断裂及空泡脱落，脱落空穴溃灭激波产生、传播及其与空穴相互作用，分析在非定常过程中空化湍流结构演化，得到空穴溃灭激波特性。

将本发明公开的一种空化可压缩流动激波动力学数值模拟方法应用于空化可压缩流动、激波动力学数值模拟领域，实现空化可压缩流动激波动力学数值模拟，有助于对空化物理机制的深入研究，并能够解决相关工程问题。