空泡現(xiàn)象
空泡流動(dòng)是水動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的經(jīng)典和難點(diǎn)問題。
當(dāng)液體介質(zhì)中的局部壓力低于環(huán)境溫度下的飽和蒸汽壓時(shí)，液體介質(zhì)中就會(huì)出現(xiàn)空泡。
這種空泡的
形成、發(fā)展和潰滅
過程以及由此產(chǎn)生的一系列物理變化稱為空泡現(xiàn)象。
在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，激波空泡被用于粉碎患者體內(nèi)的結(jié)石，有效降低碎石過程中對(duì)患者造成的痛苦。
空泡又可用于清潔，空泡射流所產(chǎn)生的沖擊力可打碎有機(jī)物的分子鏈，有效清除油類等污染物。目前，空化射流清洗已經(jīng)成為高效、節(jié)能的新型清洗技術(shù)。
▲ 應(yīng)用于船舶海生物清除的空化射流水下清洗技術(shù)
然而，在大多數(shù)情況下，空泡依然是一種危害性較大的物理現(xiàn)象，它會(huì)降低機(jī)械的使用效率，產(chǎn)生噪聲，造成材料剝蝕影響其使用壽命等。
螺旋槳空泡分類
從空泡發(fā)展的物理過程看來，螺旋槳槳葉上經(jīng)常出現(xiàn)的空泡大體有如下四種類型：
渦空泡。
這類空泡多出現(xiàn)在葉梢和轂部。槳葉隨邊曳出的自由渦片的不穩(wěn)定性，在其尾端不遠(yuǎn)處就卷成兩股大旋渦，在各葉的葉梢形成梢渦，而根部處的渦匯集一起形成轂渦。渦核中壓力最低，當(dāng)降至某一臨界壓力時(shí)即發(fā)生空泡。
一般而言，梢渦空泡的發(fā)生先于其他形式的空泡，空泡水筒中的壓力降低到一定值時(shí)，就可清晰地看到從葉梢曳出的螺旋形梢渦空泡和轂渦空泡。這種空泡對(duì)螺旋槳的水動(dòng)力性能沒有影響，對(duì)材料的剝蝕也沒有什么威脅，但梢渦空泡往往使螺旋槳的噪聲明顯加大。
▲ 渦空泡
泡狀空泡。
泡狀空泡通常指在葉背上切面最大厚度處所產(chǎn)生的空泡，呈泡沫狀。這時(shí)葉切面的攻角較小，導(dǎo)邊未出現(xiàn)負(fù)壓峰，壓力最低處大致在最大厚度附近。
由此所產(chǎn)生的空泡因前后壓力變化比較緩和，單個(gè)空泡的成長清晰可見，有時(shí)可以成長到相當(dāng)尺度，被水流帶向下游時(shí)尺寸減小，并發(fā)生潰滅、再生、再潰滅、直至消失。這種空泡對(duì)螺旋槳的性能影響不大，但對(duì)槳葉材料有剝蝕作用。
片狀空泡。
片狀空泡通常在槳葉外外半徑部分導(dǎo)邊附近產(chǎn)生，呈膜片狀，長度不一。在攻角較大時(shí)最易產(chǎn)生這類空泡。因?yàn)檫@時(shí)導(dǎo)邊附近的負(fù)壓很高，空泡急劇產(chǎn)生，肉眼已見不到其成長過程，似在導(dǎo)邊附近陡然發(fā)生空穴，水在其外側(cè)流過。
若空泡從葉切面導(dǎo)邊一直延伸至隨邊以外，即葉切面全部為空泡所覆蓋，則形成所謂超空泡流動(dòng)；有時(shí)也起于葉切面導(dǎo)邊而在隨邊之前結(jié)束，則形成所謂局部空泡。前者影響螺旋槳的性能而無剝蝕作用；后者對(duì)螺旋槳有剝蝕作用。片狀空泡通常用來描繪厚度較薄、定?；驕?zhǔn)定常的空泡。
云霧狀空泡。
螺旋槳在不均勻流場中工作時(shí)，槳葉切面的工作狀態(tài)發(fā)生周期性變化。當(dāng)攻角大時(shí)，發(fā)生空泡，而攻角小時(shí)，空泡從切面導(dǎo)邊向隨邊流去，在隨邊附近破裂而消失，這種攻角時(shí)大時(shí)小的變化，使空泡周期性地產(chǎn)生和消失，對(duì)螺旋槳材料的剝蝕最為嚴(yán)重。這種周期性變化的空泡時(shí)現(xiàn)時(shí)隱，消失時(shí)被水流沖向后方形成云霧狀，故稱云霧狀空泡。
▲ 云霧狀空泡
梢渦空泡模擬
幾何模型
以INSEAN E779A螺旋槳為研究對(duì)象，計(jì)算其水動(dòng)力性能及空泡性能。在螺旋槳梢渦空泡數(shù)值模擬研究中，E779A槳是使用頻率最高的槳型之一，其幾何形狀如下圖所示。
計(jì)算域
計(jì)算域分為兩部分，第一部分為槳附近的圓柱形旋轉(zhuǎn)域，可以使用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系法或剛體運(yùn)動(dòng)法實(shí)現(xiàn)螺旋槳的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模擬；第二部分為靜止域，兩計(jì)算域之間通過交界面實(shí)現(xiàn)流場信息傳遞，如下圖所示。
網(wǎng)格劃分
為了較為理想地捕捉到梢渦及梢渦空泡，網(wǎng)格的配置非常重要。首先，在螺旋槳周圍添加緩沖層和環(huán)形加密區(qū)，如下圖所示。
其中，緩沖層網(wǎng)格加密主要用于較好地求解螺旋槳旋轉(zhuǎn)過程中近場的壓力及速度變化；環(huán)形加密區(qū)則完全覆蓋螺旋槳可能產(chǎn)生梢渦的區(qū)域，主要用于梢渦的精細(xì)化捕捉。
在完成上述兩次加密之后，形成螺旋槳梢渦模擬的初始網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格剖面如下圖所示。
初始網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果
以進(jìn)速系數(shù)
J
= 0.71，空化數(shù)
σ
= 1.763工況為例，采用上述網(wǎng)格進(jìn)行螺旋槳空泡流數(shù)值模擬，計(jì)算得到的螺旋槳梢渦和空泡形態(tài)分別如下圖所示。
▲ 計(jì)算結(jié)果：（a）梢渦；（b）空泡形態(tài)
結(jié)果所示，螺旋槳梢渦和轂渦均被較好地捕捉，梢渦呈光滑的螺旋管形狀向后延展一定的距離，在發(fā)展至環(huán)形加密區(qū)末端后消失，說明環(huán)形加密區(qū)網(wǎng)格尺寸可有效捕捉螺旋槳的梢渦形態(tài)。
同時(shí)可見，螺旋槳發(fā)生了明顯的空泡現(xiàn)象，但空泡主要集中槳葉表面，即片狀空泡，梢渦空泡卻不明顯。但根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)前工況下，螺旋槳已產(chǎn)生非常明顯的梢渦空泡，預(yù)報(bào)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果差別較明顯。
這說明環(huán)形加密區(qū)的網(wǎng)格尺寸雖可以有效模擬出螺旋槳的梢渦流動(dòng)，但卻無法實(shí)現(xiàn)梢渦空泡流動(dòng)的模擬。因此，需對(duì)螺旋槳梢渦處的網(wǎng)格進(jìn)行再次加密。
網(wǎng)格二次加密
為盡量避免網(wǎng)格浪費(fèi)，應(yīng)選擇盡可能貼合梢渦形狀的幾何形狀進(jìn)行網(wǎng)格加密。螺旋管加密是梢渦空泡加密中較常使用的方法。
由以上結(jié)果可見，螺旋槳梢渦在向下游發(fā)展的過程中，所呈現(xiàn)的并不是簡單的等徑螺旋管形狀，而是隨著向后發(fā)展，其旋轉(zhuǎn)直徑呈現(xiàn)出不斷縮小的趨勢。
因此，本研究通過修改螺旋管中心線公式，建立螺旋線旋轉(zhuǎn)半徑與前進(jìn)距離之間的關(guān)系。已知笛卡爾坐標(biāo)系下的螺旋線計(jì)算公式如下所示：
其中，
θ 為螺旋線旋轉(zhuǎn)角度；
r 為螺旋線旋轉(zhuǎn)半徑；
a 為螺旋線前進(jìn)速率。對(duì)于等徑螺旋線，
r 為定值，但在本例中，螺旋線會(huì)隨著x的增加逐漸向內(nèi)收縮。
本研究將兩者之間的關(guān)系簡化為線性關(guān)系，如下所示。
本算例中，螺旋線初始半徑為0.111，收縮速率為0.009，旋轉(zhuǎn)角度為180度。
根據(jù)上述表達(dá)式，最終形成的螺旋槳梢渦的二次加密螺旋管如下圖所示。由圖可知，所形成的螺旋管（綠色區(qū)域）可完全包裹螺旋槳梢渦。
▲ 二次加密后網(wǎng)格示意圖和螺旋槳表面y+
采用二次加密后的網(wǎng)格進(jìn)行重復(fù)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下：
▲ 二次網(wǎng)格加密后計(jì)算結(jié)果（a）與文獻(xiàn)對(duì)比；（b）與試驗(yàn)對(duì)比
結(jié)果顯示，二次網(wǎng)格加密后可以捕捉到明顯的梢渦空泡，但受限于網(wǎng)格單元數(shù)目較少（約660萬），當(dāng)前網(wǎng)格下梢渦空泡發(fā)展長度無法達(dá)到試驗(yàn)水平，但已經(jīng)與文獻(xiàn)結(jié)果十分相近。
此時(shí)，螺旋槳敞水性能的計(jì)算結(jié)果如下圖所示。
可見，不論是水動(dòng)力性能，還是梢渦及梢渦空泡都得到了較為精確的模擬，證明本案例所采用的方法真實(shí)可靠。
文章來源：shipCFD
