超空泡技术：引领水下装备革新技术的稳态势流理论闭合模型_非线性_UM_理论

超空泡技术：引领水下装备革新技术的稳态势流理论闭合模型

本文摘要：（由ai生成）

本文研究了超空泡流动的理论分析，聚焦于空泡流流体动力学，通过势流理论建模来计算空腔形状、超空泡长度、速度场和压力场等，同时探讨了影响空腔流动的主要参数。文章还介绍了不同的空腔闭合模型及计算技术，包括非线性解析、线性化分析和数值方法，如边界元法和基于EULER或NAVIER-STOKES方程的解，这些方法可跟踪空泡界面的演变，为深入理解超空泡流动提供了有效手段。

超空泡流动的理论分析过程主要关注空泡流流体动力学，先不考虑粘性和表面张力的影响。因为根据从势流理论建模获得的压力分布，通过对湿壁进行经典边界层计算，可以很容易地考虑粘性效应。如果超空泡的分离点未知，并且使用层流的分离标准确定空泡的分离点，则需要采用迭代程序来确定分离点与粘性影响。在本文，为简单起见，我们先假设分离点的位置是先验已知的。

主要参数

我们采用二维水翼作为研究对象，考虑绕二维水翼的超空泡稳定水平流动的情况。

图1 具有外部自由表面的水平超空泡流的情况

除了确定翼片形状的几何参数、翼弦长度c、攻角和外部边界位置之外，影响空腔流动的主要参数有:

· 相对空腔负压（空化数）:

· 如果我们考虑重力效应，则还需要考虑重要无量纲参数弗劳德数，我们定义弗劳德数时可以基于弦长c来定义:

或者基于空腔长度1来定义:

在上述关系式中，

无穷为自由流速度，

为重力加速度，

为液体密度，

为空腔内的绝对压力，

无穷为上游无穷大处的参考压力，通常在纵坐标y=0处选择。

我们根据势流理论来建模允许我们计算空腔的形状

，以及超空泡的长度1和速度场和压力场等，特别是阻力系数和升力系数，我们可以用以下方程来确定：

其中D和L分别代表单位翼展长度的阻力和升力。积分是围绕物体顺时针方向进行的。

势流理论的控制方程和边界条件

对于无旋流中的无粘性流体，速度

是满足拉普拉斯方程

的速度势

的梯度。速度势的边界条件如下。

在固体壁上，必须满足通常的滑移条件

或

，其中

是垂直于壁面的单位矢量。

在超空泡的界面上，由于相变引起的剪切应力和质量转移被忽略。假设压力恒定、均匀且等于泡内压力（考虑为等压泡）

，速度为切线方向。使用上游无穷大和空腔界面上的纵坐标点

之间的伯努利方程（假设速度为

），我们可以得到:

因此空腔上的切向速度由下式给出（是沿自由流线的曲线距离）：

在大超空泡的情况下，即对于小值

，

的最大值约为

。因此，我们有近似结果：

根据该方程，如果基于空腔长度

的弗劳德数

远大于1，则重力项可以忽略。则此时，空腔界面上的恒定压力条件会降为恒定切向速度条件：

空腔闭合模型

图2 超空泡理想闭合模型示意图（真实情况不可能发生）

众所周知，超空泡尾部的驻点不可能是上图中显示的两条自由流线的结合点的情况，因为该点处的超压（overpressure）与空泡中的恒压条件不一致。因此，学界在过去几十年里提出了几种空腔闭合模型，从不同程度上人为地实现空泡的尾部闭合。

图3 里亚布辛斯基模型

在RIABOUCHINSKY模型（1920年）中，我们认为空泡被一个固体封闭，该固体被认为处于来自外部的流动中。根据达朗贝尔悖论，空化器、空腔和封闭体形成阻力为零的封闭体。但显然这种模型过于简单，无法解释真实工况下的超空泡流动情况。

图4 回射流模型

回射流模型【GILBARG & SERRIN 1950年】，我们假设空泡闭合时会在空泡尾部形成回射流，我们认为这股回射流是稳定存在的，并在RIEMANN sheet上不断演化，这使得来自回射流的流量不断从空泡中下泄。事实上，在回射流模型中的流体中形成的驻点非常不稳定。

图5 吴模型

在吴模型（1956年）中，假设空腔的上自由流线和下自由流线由两块实心板延续，平行于无穷远处的速度并从空腔的后部开始。在吴模型中，我们认为空泡自半径最大处无限向下游延伸，不存在空泡的闭合驻点。一般工程上对于接近零空化数的情况，对于空泡流在空化器附近的流场我们可以如此近似处理。

图6 图林螺旋漩涡模型

最后，图林模型（1964年）假设空泡由两个螺旋涡封闭，这两个螺旋涡由叠加在空腔及其尾流上的条件产生。

以上模型对于在稳态势流理论的框架内处理空泡的封闭是必要的。如果我们解除定常的条件限制，并且进行非定常计算，则不再需要使用以上的闭合模型，超空泡会自然表现出非定常的行为，回射流将会不断地循环发展。

计算技术概述

事实上，存在多种技术可以用来计算定常情况下的超空泡流动。非线性的解析方法主要用于几何外形受几条直线限制的物体，例如平板等，解的存在性和唯一性条件的理论结果也是如此得到。关于这些解析方法的详细内容可以在JACOB（1959年）的书以及BIRKHOFF & ZARANTONELLO（1957年）、MILNE-THOMSON（1960年）和LOGVINOVICH（1969年）的著作中找到。

首先，需要承认的是：对于具有连续曲率的物体周围的超空泡外形的计算必须用数值计算的积分方式，并且需要迭代过程，其收敛性不能保证。如果在这些问题中必须使用空腔分离的标准，那解决方案将会变得更加复杂。因此，目前非线性解析方法仍然是一种参考的方法，而不是解决实际问题的有效方法。

目前，学界已经发展了线性化的分析方法来模拟细长升力体周围的超空泡流。线性化解析方法假设与自由流速度相比，扰动速度分量始终保持较小的量级。但是在超空泡的前缘和空泡闭合区域附近显然不能满足这一假定条件，因此在这些点上出现解析解的奇点。

基于线性化理论可以很容易地解决两个经典问题案例：

1.在给定空泡界面和外部边界上压力系数的情况下计算水翼和超空泡形状的反问题（狄利克雷DIRICHLET问题）。

2.在给定水翼形状和相对负压

（或空腔长度

）的情况下计算流场任意一点的压力系数和空泡形状和长度（或空化数

）的直接问题（混合诺依曼mixed NEUMANN问题）。

在ROWE和MICHEL（1975）的工作中可以找到使用线性化方法的详细例子。在他们的工作中，他们使用匹配渐近展开的方法消除了前缘处的奇点，这使得我们能够在截断翼片的圆形前端附近获得一致有效的解。他们的结果表明，数值结果与实验结果吻合得很好，特别是在前缘附近不发生空化的迎角范围内。

最后是纯数值方法，如边界元法，特别适用于超空泡流的建模（例如，见LEMONNIER & ROWE 1988）。最近，基于EULER或NAVIER-STOKES方程的解，开发了其他直接界面追踪技术，如标记技术或VOF技术（参见SCARDOVELLI & ZALESKI 1999）。这些数值方法本质上是非稳态的数值解，而且允许跟踪空泡界面随时间的演变过程。

翻译转载自《J. P. and Franc, Fundamentals of Cavitation,Haarlem, The Netherlands:Springer, vol. 76, pp. 265, 2005.》

来源：多相流在线

积鼎CFDPro热管仿真：模拟热管内部流动及传热传质过程，优化热传输性能

本文摘要（由ai生成）：本文主要介绍了热管的工作原理、应用领域、仿真目的、仿真难点以及专业的热管模拟仿真模块HeatPipePro。热管作为一种高效的传热元件，被广泛应用于航空航天器的热控、电子设备的冷却等领域。仿真技术在热管设计和优化过程中起到了至关重要的作用。HeatPipePro是专用于热管内部流动、传热和传质仿真的模块，能够全面分析整个热管回路的工作状态，预测其在不同工作条件下的性能表现，为热管产品的研发提供有力支持。热管作为一种高效的传热元件，其工作原理基于热传导和相变过程。它通常由管壳、吸液芯和端盖组成，内部充注适量的工作液体。在不消耗外部能源的情况下快速传递热量。热管因其高效的热传导性能，被广泛应用于各种需要有效散热的领域，如航空航天器的热控、电子设备的冷却等。尽管热管在实际应用中已经展现出了其优越的性能，但在设计和优化过程中仍然面临诸多挑战。实验测试虽然能够提供真实的数据，但往往成本高昂且周期长。此外，实验条件难以完全控制，可能会受到环境因素的影响。因此，仿真技术在热管设计和优化过程中起到了至关重要的作用。热管模拟仿真目的通过CFD技术模拟热管的实际工作过程，以预测和优化其热传输性能。仿真可以实现以下几个目的：设计优化：基于仿真数据，可以调整热管的几何形状、管径、管长、翅片结构等关键参数，以最大化其热传输效率。性能预测：通过CFD技术，可以预测热管在不同工况下的温度分布、压力变化、传热效率以及响应速度等关键参数。流动与传热特性分析：揭示热管内部的流体流动和传热特性，观察到流体在热管内的流动路径、流速分布、压力分布以及温度分布等关键信息。稳定性与可靠性评估：评估热管在不同运行条件下的稳定性和可靠性。包括长时间运行、负荷变化、环境变化等多种情况。热管仿真的难点物理模型复杂性：热管仿真涉及到两相流、多组分流动、相变现象、复杂的传热机制以及毛细力驱动的回流效应，这些都需要高精度的数学模型来描述。边界条件设置：准确设定热管两端及壁面的热通量、压力、湿度等边界条件是仿真结果准确性的关键，而在实际情况中这些条件可能会随时间和空间变化。微尺度效应：部分热管内部结构具有微观特征，如微槽、多孔介质等，这类微尺度效应对传热有显著影响，但建模难度较大。数值计算挑战：求解涉及非线性方程组的稳定性、收敛性和计算资源需求较高，特别是在处理大规模三维模型时。专业的热管模拟仿真模块HeatPipePro是专用于热管内部流动、传热和传质仿真的模块。它能够精确分析热管中的吸液芯毛细驱动流动问题，揭示流体在微小通道中的流动机制；能够有效处理吸液芯表面的两相相变问题，准确模拟液体蒸发和气体冷凝过程；能分析冷凝器内部壁面的冷凝问题，评估冷凝效率和冷凝液分布；能够全面分析整个热管回路的工作状态，预测其在不同工作条件下的性能表现，为热管产品的研发提供有力支持。功能特点●采用可压缩两相流模型处理热管内部压力、温度变化条件下的流体问题。●多孔介质模型和毛细力模型耦合使用,保证了毛细芯内两相流动的顺利进行。●沸腾冷凝相变模型可以准确描述热管内部相变问题。●可对整个热管系统进行仿真,通过分析不同设计参数(充液率、几何尺寸等)计算结果,实现产品优化设计。典型应用案例■航天器热管相变冷却热管相变传热的物理过程复杂，涉及两相流动、换热、传质等现象，为时间与空间多尺度两相流形态。软件采用高效的Lee模型进行蒸发、冷凝现象的计算，多相流模型采用均相模型，可以模拟相变热管的热传递全过程。■蒸发器部件仿真中的应用软件通过模拟蒸发器内的毛细压力模型和沸腾模型，分析了蒸发器在不同工况下的性能表现，并验证了冷凝器内蒸汽冷凝过程受多种因素影响，为蒸发器和冷凝器的设计和优化提供了有力支持。上海积鼎信息科技有限公司（简称：积鼎科技）成立于2008年，是专注于自主知识产权的CFD软件研发及技术服务的国家级高新技术企业，致力于打造好用、易用的国产流体仿真软件。