一种可用于空化模拟的新空泡模型构建方法与流程

本发明涉及船舶螺旋桨空泡仿真，尤其是一种可用于空化模拟的新空泡模型构建方法。

背景技术：

1、空化现象，也称为汽蚀，是一种广泛存在于船舶螺旋桨、水力机械等流体动力设备中的复杂物理过程。当液体中的局部压力降至其饱和蒸汽压以下时，液体迅速汽化形成空泡，这些空泡随后可能随着流场的变化而发展、溃灭。空化不仅显著影响设备的流体动力学性能，如增加阻力、降低效率，还可能导致严重的剥蚀风险，直接危害结构安全。因此，对空化现象进行准确预报，并采取有效的控制措施，对于提升设备性能、延长使用寿命具有重要意义。

2、由于空化过程伴随着强烈的汽液相变过程，其物理机制复杂，多种外部因素会影响空化过程。在当前的数值模拟研究中，广泛采用的均质混合模型简化了空化过程中的汽液相变机制，未能充分考虑空化气核这一关键影响因素。空化气核作为空泡形成的初始点，其分布、尺寸及动力学特性对空化的发展过程具有决定性作用。忽视空化气核的影响，导致数值模拟结果与实际空化现象存在较大偏差，降低了预报的准确性。

3、针对现有技术在空化模拟预报的局限性，亟需一种更为准确、全面的新空泡模型构建方法，以充分考虑空化气核的影响，揭示空化过程的复杂机制，为设备性能优化和结构安全保障提供有力支持。

技术实现思路

1、本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种可用于空化模拟的新空泡模型构建方法，本发明通过数学建模，经过公式推导，提出了一种新空泡模型构建方法，此模型考虑了气核因素对空化的影响，可提高空化现象的仿真精度。

2、使得空化仿真数值模拟过程中可以考虑气核因素的影响，从而提高空化现象的预报精度。

3、本发明所采用的技术方案如下：

4、1.一种可用于空化模拟的新空泡模型构建方法，包括如下步骤：

5、s1、构建泡动力学方程，描述出无穷水域中蒸汽泡的膨胀和收缩过程；

6、s2、推导出蒸汽泡体积变化关系式；

7、s3、构建空泡模型，采用输运方程描述水蒸汽项和水项的空间占有率；

8、s4、推导出空泡体积分数与气核数量的关系式；

9、s5、推导出物质转换率与泡径变化的关系式；

10、s6、结合s2、s4和s5的关系式，构建出考虑气核因素的新空泡模型。

11、进一步的，所述泡动力学方程具体为：所述s1中，蒸汽泡中的压力等于饱和蒸汽压pv，密度为水蒸汽密度ρv，在无穷远处的压力为p0，蒸汽泡的直径为r，在初始时刻，流域内流速等于0，蒸汽泡直径为r0，当p0<vv时，蒸汽泡将膨胀，而p0>pv时蒸汽泡将收缩，在收缩和膨胀的过程中流域内流场为球对称的，设半径r处的径向速度为u(r)。

12、进一步的，所述s2中，蒸汽泡体积变化关系式为：

13、

14、即，蒸汽泡体积的变化等于水运动引起体积的变化加上相变引起的质量转换产生的体积变化。

15、进一步的，所述空泡模型遵循的输运方程为：

16、

17、其中ρv、ρl分别表示水蒸汽和水的密度，表示水向水蒸汽转化的物质转换率，u是速度矢量，这里假设水蒸汽与水之间不存在滑移速度。

18、进一步的，所述空泡体积分数与气核数量的关系式为：

19、

20、式中n是气核数，该关系式是在水中的蒸汽是由直径相等的蒸汽泡组成的前提条件下推导得出。

21、进一步的，所述物质转换率与泡径变化的关系式为：

22、

23、该关系式在蒸汽泡相互不吞并、不分裂，且蒸汽泡与水之间不存在相对滑移的前提条件下推导得出。

24、进一步的，所述新空泡模型为：

25、

26、更进一步的，所述新空泡模型还考虑了空化核密度随时间的变化关系，在式(32)和式(33)中空化核密度n是随时间变化的，得出：

27、

28、其中n0是αv＝0时蒸汽核的数目，把式(35)代入到(32)和(33)中，并假设α0＝1，得到：

29、

30、上面两式在蒸汽占比较小的时候是合理的，但当αv→1时，并不趋向于0，这主要是因为αv→1时蒸汽泡数目的演化并不严格遵守式(26)，为了修正这一偏差，在上式中忽略ρv/ρl，于是得到：

31、

32、上式(38)和(39)为本发明最终的新空泡模型。

33、本发明的有益效果如下：

34、本发明通过数学建模和公式推导，提出了一种新的空泡模型构建方法，充分考虑了空化气核这一关键影响因素，从而显著提升了空化现象预报的准确性。这一改进不仅解决了传统数值模拟方法在预报空化现象时由于简化了汽液相变机制和忽视了空化气核影响而导致的预报结果与实际现象存在较大偏差的问题，还为设备性能优化和结构安全保障提供了更为可靠的理论依据。同时，本方案通过推导包含相变物质转换和泡壁运动的空化气泡半径变化公式，以及相变物质转换率与速度及空泡体积分数的关系式，深入揭示了空化过程的物理机制，为数值模拟提供了更为准确的数学模型，并加深了对空化现象本质的认识。

技术特征：

1.一种可用于空化模拟的新空泡模型构建方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的一种可用于空化模拟的新空泡模型构建方法，其特征在于，所述泡动力学方程具体为：所述s1中，蒸汽泡中的压力等于饱和蒸汽压pv，密度为水蒸汽密度ρv，在无穷远处的压力为p0，蒸汽泡的直径为r，在初始时刻，流域内流速等于0，蒸汽泡直径为r0，当p0<pv时，蒸汽泡将膨胀，而p0>pv时蒸汽泡将收缩，在收缩和膨胀的过程中流域内流场为球对称的，设半径r处的径向速度为u(r)。

3.如权利要求2所述的一种可用于空化模拟的新空泡模型构建方法，其特征在于，所述s2中，蒸汽泡体积变化关系式为：

4.如权利要求1所述的一种可用于空化模拟的新空泡模型构建方法，其特征在于，所述空泡模型遵循的输运方程为：

5.如权利要求1所述的一种可用于空化模拟的新空泡模型构建方法，其特征在于，所述空泡体积分数与气核数量的关系式为：

6.如权利要求1所述的一种可用于空化模拟的新空泡模型构建方法，其特征在于，所述物质转换率与泡径变化的关系式为：

7.如权利要求1至6中任一项所述的一种可用于空化模拟的新空泡模型构建方法，其特征在于，所述新空泡模型为：

8.如权利要求7所述的一种可用于空化模拟的新空泡模型构建方法，其特征在于，所述新空泡模型还考虑了空化核密度随时间的变化关系，

技术总结本发明涉及一种可用于空化模拟的新空泡模型构建方法，包括S1、构建泡动力学方程，描述出无穷水域中蒸汽泡的膨胀和收缩过程；S2、推导出蒸汽泡体积变化关系式；S3、构建空泡模型，采用输运方程描述水蒸汽项和水项的空间占有率；S4、推导出空泡体积分数与气核数量的关系式；S5、推导出物质转换率与泡径变化的关系式；S6、结合S2、S4和S5的关系式，构建出考虑气核因素的新空泡模型。本发明通过数学建模和公式推导，提出了一种新的空泡模型构建方法，考虑了空化气核这一关键影响因素，从而显著提升了空化现象预报的准确性。解决了传统预报空化现象时简化了汽液相变机制和忽视了空化气核影响而导致的预报结果与实际现象存在较大偏差的问题。技术研发人员：洪方文,翟树成,刘登成,曹彦涛受保护的技术使用者：深海技术科学太湖实验室技术研发日：技术公布日：2024/11/18