李雨濛,陳 暉,項 樂,張亞太
(西安航天動力研究所 液體火箭發(fā)動機重點實驗室,陜西 西安 710100)
近年來航天不斷發(fā)展,液體火箭發(fā)動機作為重要的動力來源也不斷更新?lián)Q代。新一代液體火箭發(fā)動機以液氫液氧或液氧煤油作為推進劑,比沖高,推力大,工作時間長,在大型運載火箭上得到廣泛應(yīng)用。渦輪泵作為液體火箭發(fā)動機的核心部件,在高轉(zhuǎn)速的環(huán)境下工作易導(dǎo)致渦輪泵內(nèi)出現(xiàn)空化,影響液體火箭發(fā)動機的可靠性[1-5]。
空化作為水力機械中經(jīng)常出現(xiàn)的一種現(xiàn)象,會造成水力機械性能明顯降低[6],材料表面破壞,引起振動和噪聲等[7-8]??栈瘜討B(tài)響應(yīng)特性的改變會使流動內(nèi)部出現(xiàn)不穩(wěn)定性,多個國家在研究液體火箭發(fā)動機渦輪泵時都碰到過空化不穩(wěn)定帶來的問題乃至事故。例如,在日本H-2火箭的第8次發(fā)射中,空化不穩(wěn)定誘發(fā)的脈動頻率與泵前導(dǎo)流葉片固有頻率相近,引起共振導(dǎo)致葉片疲勞斷裂,轉(zhuǎn)子失衡及摩擦,并最終導(dǎo)致發(fā)動機停機發(fā)射失敗。為了減小空化不穩(wěn)定帶來的危害,各國學(xué)者做了多方面研究[9]。由于水力機械幾何過于復(fù)雜,便從較為簡單的水翼非定??栈胧?。時素果等[10]研究了熱力學(xué)效應(yīng)對空化水動力脈動特性的影響,得到了水翼升力在非定常空化階段的特征頻率。Wang等[11]研究了附著空化流動,對空化初生進行了探究。Leroux等[12]對水翼的云狀空化進行研究,發(fā)現(xiàn)翼型表面不同位置壓強隨時間變化不同,得到云狀空化兩種不同的動態(tài)特性。尹必行等[13]采用試驗研究與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究繞水翼ys930的非定常空化流場結(jié)構(gòu),得到片狀空化和云狀空泡兩個不同的階段。
實驗研究依靠實驗設(shè)備、實驗人員和實驗場地等條件,使得實驗研究內(nèi)容的多樣性受到了限制。除了實驗,數(shù)值仿真也是研究空化的重要手段。目前有3種方法可以計算湍流,雖然DNS和LES能提供更好的計算精度,但是會消耗大量計算資源,目前還無法廣泛實現(xiàn)工程應(yīng)用,現(xiàn)在工程上最常用的還是RANS方法。Launder和Spalding[14]提出了標準k-ε雙方程模型,在RANS方法中預(yù)測結(jié)果更具有穩(wěn)定性和可靠性[15],適用于絕大多數(shù)的工程湍流模型??栈鲃邮且环N復(fù)雜的流動現(xiàn)象,包含湍流、相變、多相流、可壓縮和非定常性等等。標準k-ε模型在處理時間相關(guān)流動上的缺陷使得對非定??栈哪M存在一定誤差[16]。有學(xué)者從標準k-ε模型的渦黏項入手,提出了一些修正方案。Johansen等[17]在標準k-ε模型的基礎(chǔ)上增加濾波器提出FBM模型,并計算了方柱繞流的非定常流動,結(jié)果表明FBM模型部分提高了對非定常流動的預(yù)測能力。Huang等[18]將FBM模型和DCM模型[19]中的濾波系數(shù)加權(quán),得到一種新的濾波模型FBDCM模型并用該模型計算了Clark-Y型水翼的繞流空化,結(jié)果顯示FBDCM模型基于網(wǎng)格分辨率和當?shù)亓鲃拥拿芏刃拚梢源龠M空化流動的非定常脫落。洪鋒等[20]通過FBM模型和DCM模型中濾波項的比較選擇新的濾波函數(shù),發(fā)展出MFBM模型,同樣仿真Clark-Y型水翼的繞流空化取得了較好的結(jié)果。以上3種修正的湍流模型與標準k-ε模型相比,都從不同程度上增強了預(yù)測非定常流動的能力,但這3種修正湍流模型之間目前還沒有一個對比評價。
綜上,本文分別選用原湍流模型和上述3種修正湍流模型,對Clark-Y型水翼表面的非定常空化流動進行模擬,通過與實驗結(jié)果的對比,對不同模型修正方式的計算效果做出評價。
本文的數(shù)值方法采用均相流模型,混合流體被認為是各向同性的,相間無速度滑移,氣相和液相有相同的速度和壓力,則混合流體的密度表達式為
ρ=αvρv+(1-αv)ρl
(1)
式中:ρ為混合相密度;ρv,ρl分別為氣相和液相密度;αv為氣相體積分數(shù)。
在笛卡爾坐標系下,連續(xù)方程和動量方程分別為
(2)
(3)
混合流體中的氣相輸運方程為
(4)
式中m+和m-分別為氣相中的蒸發(fā)源項和凝結(jié)源項,控制氣體的產(chǎn)生與潰滅。
Zwart等[21]結(jié)合簡化的Rayleigh-Plesset方程,推導(dǎo)出的蒸發(fā)源項和凝結(jié)源項如下
(5)
(6)
式中:Ce和Cc分別為蒸發(fā)和凝結(jié)常數(shù);RB為空泡半徑;αnuc為不凝結(jié)氣相分數(shù)。
該模型重點考慮了空化初生和發(fā)展時空泡體積變化的影響,適于模擬空化的非定常特性。
1.3.1 標準k-ε模型
標準k-ε模型由Launder和Spalding[14]提出,是在代數(shù)渦黏模型基礎(chǔ)上發(fā)展得到的渦黏模型,與代數(shù)模型的主要區(qū)別是將渦黏系數(shù)與湍動能k及湍動能耗散ε聯(lián)系在一起,包含部分湍流統(tǒng)計量之間的歷史效應(yīng),有一定的物理依據(jù),其控制方程為
(7)
(8)
湍流黏性系數(shù)μt表示為k和ε的函數(shù),即
(9)
式中Pt為湍動能生成項。模型常數(shù)分別為:Cε1=1.44,Cε2=1.92,σε=1.3,σk=1.0,Cμ=0.09。
1.3.2 FBM模型
RANS方法的計算精度除了與網(wǎng)格尺寸有關(guān)外,還與流場的渦黏系數(shù)即雷諾應(yīng)力有關(guān)。Johansen等人[13]認為標準k-ε模型對湍流預(yù)測能力不足是由于流場中渦黏性過大,為了解決這個問題提出FBM模型。FBM模型在原模型湍流黏性系數(shù)的基礎(chǔ)上增加濾波器,得到新的湍流黏性系數(shù)為
(10)
式中fFBM為濾波函數(shù),由濾波器尺寸Δ和湍流結(jié)構(gòu)尺寸的比值決定,定義為
(11)
為了確保濾波與數(shù)值方法相容,所選的濾波器尺寸應(yīng)不小于計算網(wǎng)格區(qū)域的大小,即Δ>Δgrid,這里的網(wǎng)格大小定義為Δgrid=(Δx,Δy,Δz)1/3,Δx,Δy和Δz分別為網(wǎng)格在3個坐標方向的長度。
對于湍流尺度小于濾波器尺寸的流動,渦黏保持標準k-ε模型的黏度不變;對于湍流尺度大于濾波器尺寸的流動,由式(11)可知,其湍流黏度變?yōu)?/p>
(12)
1.3.3 FBDCM模型
Huang等[18]認為FBM模型沒有正確修正近壁的渦黏,在空穴周圍沒有相變的區(qū)域,F(xiàn)BM模型計算的渦黏仍然過大??紤]到水翼繞流的動態(tài)特性,可以將空化區(qū)分為附著空穴和分離空穴兩個子域。在附著空穴區(qū),蒸汽的相對體積分數(shù)較高,可以看成可壓的兩相流。在分離的空穴區(qū)內(nèi)是大尺度的氣液混合不穩(wěn)定運動,需要將當?shù)氐耐牧鹘Y(jié)構(gòu)尺寸考慮在內(nèi)。由此,Huang等在FBM模型的基礎(chǔ)上,結(jié)合Coutier-Delgosha等[19]提出的用流場的當?shù)孛芏却嫫骄芏鹊腄CM模型,提出了FBDCM模型。與FBM模型類似,只對渦黏項進行了修正
(13)
(14)
(15)
式中χρ/ρl用來加權(quán)兩種模型的濾波函數(shù),定義為
(16)
式中:C1=4;C2=0.2。
1.3.4 MFBM模型
洪鋒等[20]認為,將FBM模型和DCM模型的濾波函數(shù)相互比較后得到的MFBM模型可以兼具兩種模型的優(yōu)點,則MFBM的湍流黏度系數(shù)為
(17)
fMFBM=min(fFBM,fDCM)
(18)
本文以二維Clark-Y型水翼作為研究對象,翼型的弦長c=70 mm,攻角α=8°,空化數(shù)σ=0.8,計算域的幾何參數(shù)如圖1所示。邊界條件設(shè)置采用速度入口條件,流速V∞=7.8 m/s,湍流強度I=2%;出口為壓力條件,利用空化數(shù)可以推導(dǎo)出口的壓力值;上下壁面及水翼壁面均設(shè)置為無滑移壁面。計算介質(zhì)采用25 ℃的水和水蒸氣,飽和蒸汽壓為3 574 Pa。本文的實驗數(shù)據(jù)來自文獻[10]。數(shù)值計算平臺為ANSYS CFX 15.0。
圖1 計算域幾何示意圖Fig.1 Geometric diagram of computational fluid domain
首先利用標準k-ε模型計算繞二維水翼的定??栈鲃觼眚炞C網(wǎng)格無關(guān)性。本文共驗證了5套網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)分別為77 056(mesh1)、144 770(mesh2)、187 524(mesh3)、213 512(mesh4)和275 667(mesh5),水翼附近采用O型網(wǎng)格劃分,并對靠近壁面的網(wǎng)格進行加密,結(jié)果顯示30 利用這5套網(wǎng)格計算水翼在定??栈癄顟B(tài)下的升力系數(shù) (19) 式中:Clift為水翼的升力系數(shù);Flift為水翼表面的升力;V∞為無窮遠處的速度;S為參考面積。 在不同網(wǎng)格下計算的升力系數(shù)與實驗數(shù)據(jù)對比如圖2所示。 從圖2可以看出,mesh2的誤差是最小的,但只有在網(wǎng)格數(shù)量大于187 523(mesh3)后,計算結(jié)果不隨網(wǎng)格數(shù)改變而改變,說明mesh2的小誤差只是偶然的,不能作為最終的計算網(wǎng)格。mesh3計算的升力系數(shù)與實驗數(shù)據(jù)的誤差小于5%,滿足了網(wǎng)格無關(guān)性的要求。為了節(jié)省時間和計算資源,本文選用mesh3作為最終的計算網(wǎng)格,如圖3所示。 圖2 仿真計算的升力系數(shù)與實驗數(shù)據(jù)的對比Fig.2 Comparison of calculated lift coefficient with experiment data 圖3 計算網(wǎng)格Fig.3 Computational grids 2.1.1 翼型升力系數(shù)的對比 圖4是4種不同湍流模型計算水翼空化得到的基于升力系數(shù)的FFT變換。從4張圖中均能看出比較突出的主頻,表明這里的4種湍流模型都能夠捕捉該工況下的非定常流動特性。但標準k-ε模型的FFT變化與其他3種模型明顯不同,除了能夠分辨主頻,次頻也很明顯,主頻與次頻之間不存在其他雜頻。對于其他3種修正模型,雖然主頻也很明顯,但幾乎無法分辨次頻,主頻附近分布許多小雜頻,表明修正的湍流模型顯著增強了計算結(jié)果的非定常性。 將4種模型的計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進行對比,如表1所示,其中基于弦長的斯特勞哈爾數(shù) (20) 式中f為升力系數(shù)變化的頻率。 圖4 關(guān)于升力系數(shù)的快速傅里葉變換Fig.4 Fast fourier transform of lift coefficient around hydrofoil 表1 不同湍流模型計算的St與實驗數(shù)據(jù)的對比 從表1可以看出,只有FBM模型的St要大于實驗值,即升力變化周期要??;而標準k-ε模型、FBDCM模型和MFBM模型的St要小于實驗值,即升力變化周期要長一些。4種湍流模型中標準k-ε模型的St是最小的,其他3種模型的St都大于0.151,說明修正模型的非定常性更加突出。在3種修正模型中,F(xiàn)BM模型的St過大,誤差高達36.9%,效果反而不如標準k-ε模型;FBDCM模型和MFBM模型的St與實驗數(shù)據(jù)較為吻合。MFBM模型的St是最接近實驗值的,與實驗數(shù)據(jù)的誤差不到1%,在4種湍流模型中能夠更好地捕捉流動的非定常特性。 2.1.2 空穴形態(tài)的對比 圖5給出了4種湍流模型計算的空穴形態(tài)與實驗數(shù)據(jù)的對比。從圖5中可以看出繞水翼空化由兩部分組成,頭部的附著空化和尾部的脫落空化。標準k-ε模型的空穴形態(tài)在長度和厚度以及脫落空化的面積上都與實驗存在較大的誤差,即使在空穴發(fā)展最充分的階段(t0+28 ms),標準k-ε模型的部分空化長度剛剛超過弦長的一半,而實驗數(shù)據(jù)則顯示空穴覆蓋了整個吸力面,反映出標準k-ε模型在預(yù)測非定常空化流動時存在較大的缺陷。3種修正湍流模型采用相同的濾波尺寸進行計算,在空穴形態(tài)的預(yù)測上有較大的改進,模擬出的空化附著部分長度、厚度增加,脫落部分的空化也更為明顯。修正模型中,F(xiàn)BM模型的改進效果是最不明顯的,在空穴區(qū)變化周期的中間階段(t0+21 ms~t0+42 ms),附著空化最長可以發(fā)展到水翼吸力面3/4的位置,但沒有產(chǎn)生超空化;FBDCM模型的空穴在3種修正湍流模型最長最厚,特別是在t0+28 ms和t0+35 ms兩個階段,比實驗數(shù)據(jù)顯示的空化區(qū)域還要大,是FBDCM模型的不足之處;MFBM模型仿真的結(jié)果是最為接近實驗數(shù)據(jù)的一組結(jié)果,空穴區(qū)的發(fā)展形態(tài)以及脫落后與實驗數(shù)據(jù)相比都能一一對應(yīng)。FBM模型以濾波尺寸為界限,沒有修正小于濾波尺寸網(wǎng)格內(nèi)的渦黏,而FBDCM模型和MFBM模型在此基礎(chǔ)上從不同角度修正了翼型近壁區(qū)的流場,是對全流場的修正,因而后兩種模型能更好地捕捉空化的非定常流動特性。從計算結(jié)果來看,MFBM模型的效果是最佳的。通過模型的控制方程分析,MFBM模型中,小于濾波器尺寸的近壁區(qū)網(wǎng)格用DCM模型計算,而近壁區(qū)的流動是非定常性較強的區(qū)域,伴隨著相變和密度的變化,DCM模型中用當?shù)孛芏却嫫骄芏冗M行計算是較為合理的。 圖5 不同湍流模型計算的氣相分數(shù)云圖與實驗數(shù)據(jù)的對比Fig.5 Comparison of vapor volume fraction contours calculated by four turbulent models with experimental data 2.1.3 流場渦黏系數(shù)的對比 渦黏系數(shù)跟流動非定常性直接相關(guān),標準k-ε模型的渦黏系數(shù)與湍動能k與湍動能耗散ε直接相關(guān),無法準確?;膭幽芘c湍動能耗散導(dǎo)致標準k-ε模型預(yù)測非定常流動效果不佳。為了分析不同湍流模型對非定常流動預(yù)測能力差異形成的原因,圖6給出了4種湍流模型計算的流場渦黏。從圖中可以看出標準k-ε模型水翼吸力面后半部分以及尾跡區(qū)的渦黏都非常大,這勢必會影響模型預(yù)測非定常流動的準確性,使得仿真結(jié)果出現(xiàn)較大的誤差。3種修正模型則大幅減小了流場的渦黏系數(shù),這是修正模型能夠更好地預(yù)測非定??栈鲃拥闹匾颉S捎诹鲃拥姆嵌ǔL匦缘靡酝癸@,用修正模型計算得到的結(jié)果會在真值附近出現(xiàn)較大的波動,所以在圖4的FFT變換中,修正模型的頻域圖中除了突出的主頻還伴隨著許多小雜頻。3種修正模型中,F(xiàn)BM模型計算的渦黏是最大的,因為沒有修正近壁處的流場;FBDCM模型和MFBM模型計算的渦黏非常相近且略小于FBM模型,實際上這兩種模型計算得到的基于升力變化的St也非常相似,與渦黏云圖的結(jié)果是一致的。 MFBM模型能夠更好地預(yù)測非定常空化流動特性,標準k-ε模型是在代數(shù)渦黏模型的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,它和代數(shù)渦黏模型的主要區(qū)別在于標準k-ε模型的渦黏系數(shù)包含部分歷史效應(yīng)[16],MFBM模型作為標準k-ε模型的延伸,修正了渦黏過大對于流場仿真結(jié)果的影響,但并沒有改變湍動能和湍動能耗散的生成。因而,MFBM模型雖然可以更好地預(yù)測空化流動的非定常特性,但MFBM模型仍然無法準確預(yù)測湍流統(tǒng)計量關(guān)系之間的歷史效應(yīng),導(dǎo)致仿真結(jié)果與實驗存在一定誤差。雖然MFBM模型結(jié)合了FBM模型和DCM模型來修正近壁區(qū)流場,但只是在計算中選擇使當?shù)販u黏更小的濾波系數(shù)進行模擬,物理依據(jù)上有所欠缺。如果能在FBM模型的基礎(chǔ)上更科學(xué)地修正小于濾波尺寸網(wǎng)格的區(qū)域,還可以更加準確地捕捉非定常流動的特性。 圖6 不同湍流模型計算的渦黏Fig.6 Eddy viscosity calculated by four turbulent models 2.2.1 逆壓梯度的對比 圖7是一個周期內(nèi)水翼表面壓力系數(shù)與氣相體積分數(shù)分布圖。圖7(a)中水翼吸力面的低壓區(qū)的長度和位置與圖7(b)中空穴的長度和位置一一對應(yīng),頭部的低壓區(qū)對應(yīng)附著空化,尾部的低壓區(qū)對應(yīng)脫落的空化??栈跎?t0+7 ms)時,在吸力面的后半部分有一段長度為0.3c的空穴,是還沒有完全潰滅的脫落空化,在0到0.3c的區(qū)間存在逆壓梯度。隨著時間的發(fā)展,t0+14 ms時,尾部的脫落空化已經(jīng)消失,初生的空穴區(qū)后0.2c到0.7c的區(qū)間內(nèi)存在較強的逆壓梯度,說明伴隨著脫落空化的潰滅逆壓梯度被增強。t0+21 ms時,脫落空穴的影響基本消失,逆壓梯度強度減小,僅在吸力面0.75c的位置存在一個非常小的逆壓梯度,附著空化得以進一步發(fā)展,空穴長度達到0.7c。此時部分空化脫落較少,逆壓梯度對空穴生長的限制作用不明顯,吸力面空化會進一步生長成為超空化,從圖7(a)圖和圖7(b)中可以看出t0+28 ms和t0+35 ms時,翼型吸力面被空化覆蓋,表面也不存在壓力梯度。超空化后,空化開始大量脫落,不斷潰滅形成的局部高壓區(qū)再次加強逆壓梯度,逆壓梯度又會阻礙空穴生長,促進空化脫落,直到水翼表面的空穴消失,從t0+42 ms到t0+56 ms的3個時間段,逆壓梯度位置不斷向上游移動,強度也不斷增加,直至空穴完全脫落消失。以上的變化說明在一個周期內(nèi),空穴的生長和脫落受逆壓梯度強度和位置的影響,而空穴的生長與脫落又影響著水翼表面的壓力分布。因而,翼型升力變化的周期與空穴的脫落周期是對應(yīng)的。 圖7 水翼表面升力系數(shù)與氣相分數(shù)分布Fig.7 Distribution of lift coefficient and vapor volume fraction around hydrofoil 圖8給出了空穴長度隨時間的變化。可見水翼表面的空化存在周期性脫落,脫落的周期為40 ms~50 ms,與升力變化周期56 ms[6]基本吻合,表明空化云周期性脫落是升力系數(shù)周期性變化的原因,這與前文中分析的結(jié)果是一致的。 圖8 空穴長度隨時間的變化Fig.8 Change of cavity length with time 2.2.2 反向射流的對比 圖9給出了一個周期內(nèi)翼型表面的速度矢量分布。可以看出翼型吸力面頭部速度最大,尾部速度最小并伴隨回流區(qū)。根據(jù)伯努利原理,水翼吸力頭部速度較大。隨著流體沿著翼型向下游運動,逆壓梯度會使流動出現(xiàn)分離,形成反向射流。t0+7 ms時,上一個周期的空化還未完全脫落,壓力分布上翼型表面存在較大的壓力梯度,速度分布上從圖9中可以看到在吸力面0.3c到尾部之間存在較強的回流區(qū)。t0+14 ms時,回流區(qū)移動到翼型尾部,即將脫離水翼,新周期的空化已經(jīng)初生。t0+21 ms時,隨著逆壓梯度的消失,回流區(qū)大部分消失在主流中,附著在翼型表面的回流區(qū)面積大大減小。t0+28 ms和t0+35 ms時,逆壓梯度作用不明顯,回流區(qū)面積基本沒有增加,使得部分空化發(fā)展成為超空化。在此之后,t0+42 ms時空穴充分發(fā)展,尾部的空化與回流區(qū)開始相互干涉?;亓髟鰪娏丝栈拿撀?,脫落空化潰滅瞬間的局部高壓造成的逆壓梯度又加強了回流,使得回流區(qū)的長度和厚度開始增加。另一方面,空化潰滅后反向射流會迅速填滿空泡破裂后的間隙,使得回流沿翼型向上游運動,進一步擴大回流區(qū)的范圍。t0+49 ms時,隨著回流厚度不斷增加,反向射流已經(jīng)運動到水翼的頭部,與空化區(qū)氣液交界面相互作用,造成空化云的大尺度脫落,完成空穴在一個周期內(nèi)的變化。對比圖7,反向射流的位置與逆壓梯度出現(xiàn)的位置是一一對應(yīng)的,說明反向射流和逆壓梯度共同影響空穴的生長與脫落。 圖9 水翼表面速度矢量分布Fig.9 Velocity vectors distribution around hydrofoil 本文采用標準k-ε模型和3種修正湍流模型對二維Clark-Y水翼空化流動進行計算,通過仿真結(jié)果的相互比較及與實驗結(jié)果的對比,得出以下結(jié)論: 1)與標準k-ε模型相比,修正的湍流模型可以大幅減小流場中的渦黏,使得雷諾應(yīng)力的部分歷史效應(yīng)得以凸顯,從而增強模型對于非定??栈鲃拥念A(yù)測能力。 2)MFBM模型在3種修正模型中,捕捉的非定??栈鲃犹匦耘c實驗最為接近,效果最好,能夠比較有效地模擬二維水翼非定常空化流動。2 結(jié)果與討論
2.1 仿真結(jié)果比較
2.2 水翼非定??栈鲃臃治?/h3>
3 結(jié)論