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申请/专利权人：中国北方车辆研究所

摘要：本发明公开了一种喷水推进器空泡流动数值计算方法，属于流体力学数值计算技术领域。步骤为建立考虑旋转效应的湍流模型，开展推进器单相流动计算；随后建立考虑旋转效应的空化模型，以单相流动计算结果为初值，进行喷水推进器空泡流动数值计算，最后获取空泡流场信息。本发明考虑汽、液多相流可压缩特性对湍流粘性系数的影响，同时考虑强旋转边界对空化相间质量传输的影响，采用湍流时间尺度来代替相变的弛豫时间尺度，将空泡流场模拟与流场结构信息相联系，进而数值计算结果更符合实际流场，预测精度更高。

主权项：1.一种喷水推进器空泡流场获取方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、建立水域模块、进水流道模块、推进泵模块、喷口模块的三维模型，所述进水流道模块、所述推进泵模块和所述喷口模块组合为喷水推进器，所述喷水推进器与所述水域模块组合为流体计算域三维模型；步骤2、通过网格生成软件划分所述水域模块、所述进水流道模块、所述推进泵模块、所述喷口模块的网格文件；步骤3、将所述网格文件导入流体仿真软件进行组合为流体计算域，并设置计算边界条件和单相流体介质属性；建立所述流体计算域的流体力学模型，假设流体介质为连续性流体，且不考虑流体的可压缩性，流动过程中不涉及传热问题；步骤4、建立考虑旋转效应修正的湍流模型，所述湍流模型采用SSTCC湍流模型；步骤5、获取所述流体计算域的单相流场数据；步骤6、建立所述流体计算域的空泡流动计算流体力学模型，所述空泡流动计算流体力学模型采用均质流模型，所述均质流模型将汽、液两相混合物看作一种均匀介质，相间没有相对速度，流动参数取两相相应参数的加权平均；步骤7、以步骤5所获取的所述单相流场数据作为初始值，进行所述流体计算域的空泡流动数值计算；步骤8、基于所述流体计算域的空泡流动数值计算结果，获取所述推进泵外特性曲线和空化性能曲线流场信息；所述步骤3中，所述流体力学模型为在笛卡尔坐标系下的基本控制方程，包括质量守恒方程和动量守恒方程，如下所示：质量守恒方程动量守恒方程式中：u表示速度；x表示坐标；下标i和j表示笛卡尔坐标的方向，i＝1，2，3；xi为笛卡尔坐标系分量；ui为速度u与坐标轴xi平行的速度分量；ρ表示流体密度；t表示时间；p表示压力；μ表示流体动力粘性系数；μt为湍流粘性系数；所述SSTCC湍流模型包括湍动能输运方程和湍动能频率输运方程，具体如下所示：湍动能输运方程：湍动能频率输运方程： Pk'＝Pk·fr5 式中：k为湍动能；ω为湍动频率；Pk为湍动能生成项，Pk'为修正的湍动能生成项；Dk为湍动能耗散项；四个模型系数σk、σw2、Cw、βw分别取值为2、1.17、0.56、0.09；F1为混合函数；fr为湍流生成相旋转修正系数，取值范围为0～1.25,为原始旋转修正系数，frotation为旋转强度函数，其中三个常数Cr1、Cr2、Cr3分别取值为1.0、2.0、1.0，为形变速率与旋转速率的相关函数；Cscale为经验系数，取值为1；S和Ω分别为形变速率和旋转速率；r*为形变速率与旋转速率的比值；所述建立所述流体计算域的空泡流动计算流体力学模型，具体为：汽液两相为均相流动，相间无速度滑移，考虑汽液相间的传输速率，所述空泡流动计算流体力学模型包括汽液两相的质量守恒方程和动量守恒方程，如下所示：质量守恒方程动量守恒方程混合相密度ρm＝ρlαl+ρvαv,12混合相粘度μm＝μlαl+μvαv13式中：下标i和j分别代表坐标方向；u和p分别为速度和压力；μt为湍流粘性系数；ρm混合相密度；ρl和ρv分别为液相和汽相密度；αl和αv分别为液相和汽相的体积分数；μl和μv分别为液相和汽相的动力粘性系数；μm为混合相的动力粘性系数，按照汽、液两相体积分数加权平均后得到；所述空泡流动计算流体力学模型中还包括湍流模型，该湍流模型仍选用所述SSTCC模型，为了考虑汽、液多相流可压缩特性对湍流粘性系数的影响，基于密度函数对所述湍流粘性系数进行了修正，具体可表述为：μt_mod＝μtfn14 式中，μt_mod为修正的湍流粘性系数，fn为密度函数，n为旋转效应常数，具体取值表达式为： 所述空泡流动计算流体力学模型中还包括考虑旋转效应修正的空化模型，所述空化模型采用基于汽液相间传输的空化模型，通过引入偏微分方程描述两相之间的转变关系，空化的求解过程即通过质量传输方程实现汽液两相体积质量分数的求解过程，忽略相间热传输和非平衡相变效应，液相体积含量的输运方程可表述为： 其中：源项表征流场中压力低于饱和蒸汽压pv时液体的蒸发速率；表征流场中压力高于饱和蒸汽压pv时汽体的凝结速率；Cdest和Cprod分别为液相蒸发经验系数和的汽相凝结经验系数，Cdest取值范围0.1-1000，Cprod取值范围0.1-1000；流动特征时间t∞的公式为t∞＝cU∞，c为特征长度，U∞为来流速度；Cdest-mod为旋转修正的液相蒸发系数。

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