翼型表面仿生特殊构型对空化抑制影响的研究
2022-09-20王燕燕赵伟国韩向东范鹏军刘在伦胡建启
空化是流体动力学领域液体特有的流动现象,本质是液体与蒸汽间的相变。空化是指液体内局部压强降低到饱和蒸汽压之下时,液体内部或液固交界面上出现的空泡形成、发展、脱落和溃灭的过程
,常发生于泵与阀等水力机械内
。空泡破裂会形成激波与微射流,引起水力机械不同程度的振动、冲击与噪声;空泡破裂会产生很高的局部压力,加剧物体表面空蚀,使结构提早发生疲劳破坏
。
这套房子将近100万元，首付至少要交一半才能成交。郭启明心急如焚地再次找家人借钱未果后，又来到北京找昔日的同事借钱，但跑了几天，一分钱也没借着，他只好灰头土脸地又回家了。后来，还花了几千块差旅费，他无计可施，只得拨打了偶然问在电线杆上看见的“信用卡、医保卡套现”的电话，收取了一定手续费后，他用医保卡和三张信用卡透支了12万元，但即使如此，钱也远远不够。关小美怕他为难，一番思忖之后，她变卖了20岁生日的时候父母亲戚送给她的一对玉石手镯，换了5万块钱，说这是自己找亲戚借来的，郭启明感激涕零。
由于空化现象的存在严重影响水力机械的水动力性能,因而对其抑制一直备受国内外学者广泛关注,大多通过改变物理模型结构来实现。Kawanami等
提出在翼型表面设置障碍物阻挡回射流来控制云空化的方法,可显著改变空化演化过程。王巍等
通过在水翼吸力面布置凹槽的方法改变表面结构实现对空化流动的调节。Choi等
通过在靠近叶顶的壳体壁上布置J型沟槽,并配合后掠诱导轮,使得在标准流量与设计流量下,均可显著改善涡轮泵的吸入性能;另一方面,可完全抑制小流量下的旋转回流空化和最佳效率点附近的空化喘振。类似的,Liu等
在Clark-Y翼型上开槽抑制因空化所形成的不稳定性。恰当的几何结构可阻挡回射流,从而抑制非定常空化发展。邬伟等
采取在翼型表面设置一段拱弧对回射流进行阻挡,经证明该拱弧对云状空化的抑制作用较为明显。Fujii等
通过在诱导轮上方布置8个喷嘴并沿周向喷射射流,研究对空化的抑制得到,改变喷嘴轴向位置、射流速度与喷射方向,在射流流量约占总流量10%时,与轴旋转方向相同的射流可显著减少诱导轮内空化不稳定性的发生范围。Yang等
数值研究喷嘴挡板伺服阀内空化流动的抑制,相较于圆形喷嘴出口,三角形喷嘴出口在相同几何形状和进口压力下可有效减弱空化。Rhee等
通过实验与数值仿真相结合开展舵间隙空化抑制的研究得到,间隙阻流装置可有效抑制空化发展并显著提高升力。Jin
发现NACA0015水翼尾部固定单侧翼的设计能够持续抑制流体边界层分离,实现空化稳定性,并进一步实现NACA0015水翼的非空化控制。Qian等
提出抑制双叶瓣机械心脏瓣膜空化的策略,通过增大叶片厚度和减小旋转半径可有效抑制空化发展。部分学者从仿生学角度出发研究对空化的抑制。例如,Zhao等
将鳍状棘的仿生结构布置于NACA0015翼型吸力面,发现翼型吸力面空泡体积与湍动能均降低,同时翼型升阻比增加约15.4%,流场变得更加稳定。陈柳等
仿座头鲸鳍肢前缘的不规则凸结结构,将其作用于翼型前缘,弦向空化发展得到控制,尺度显著减小,实现抑制空化的目的。陈思青等
为缓解空化对水液压系统的破坏,采用类乌贼射流孔的仿生结构,将大部分空泡转移至非重要区域,达到抑制阀芯密封面空化的目的。
综上所述,常规改变模型结构来抑制空化所取得的成果较为丰硕,但是通过仿生学角度来改变模型结构进而抑制空化的研究相对较少。鲫鱼对多种不同复杂环境均具有较强的适应能力,其身体布满的鳞片至关重要
。受其启发,本文以NACA0015翼型为研究对象,以布满鲫鱼身体的鳞片为原型,通过构建水翼表面仿生特殊构型(鳞片构型)来实现对云空化演化的被动控制。开展水翼性能、空泡演化、空泡体积与空化柔度的对比分析,确定该仿生构型的作用效果;通过压力、涡旋与湍动能的对比研究,阐明相应的控制机理。
肾脏组织 ApoE-/-小鼠肾脏组织分为3种结构即肾皮质、肾髓质和肾集合系统，选取CD34、CD117和PDGFR-α 3种免疫组织化学指标分别单染肾脏的以上3个结构，发现肾脏内特洛细胞对CD117和PDGFR-α阴性表达，肾小管上皮细胞却对以上两种免疫标记物出现阳性表达；在肾脏的3种不同结构中的特洛细胞对CD34阳性表达，特洛细胞在肾髓质内存在最为密集广泛，形成的细胞间网状结构最为明显，其次是肾皮质和肾集合系统，且特洛细胞形成的三维结构皆围绕肾小管分布，在肾小球周围少见(图7～11)。
1 数值算法
1.1 控制方程
空化流动为一种作用机理复杂的水汽间存有相变的多相流动。数值计算过程中,清水介质为主相,水蒸气为次相,两者均为均质混合流体。控制方程
如下
导向图纸审核工作是新线导向系统筹备的物质基础，导向图纸审核的质量直接关系到实地施工能否顺利进行以及日常运营中的良好应用。由于图纸设计部门对于总部导向标识系统规定熟悉程度不高，因此在新线导向系统建设过程中，应该要更加注意图纸审核模块，把错误杜绝在建设之前。而导向图纸的审核重点可以简单分为新线导向系统的完备性、连续性、准确性及实用性等方面。
(1)
(2)
(3)
式中:
为混合相密度;
为混合相黏度;
与
分别为蒸发源项与凝结源项;
为混合相速度;
为空间坐标;
与
值为1,2,3;
为清水介质密度;
为清水的体积分数;
为压力;
为时间。
安装AIS后，船舶可以从VHF能够覆盖的海域内识别对方（国际营运船舶，强制要求安装AIS，国内营运船舶目前也大多安装了AIS）的船型、船长、吃水、船名、呼号、航向、航速、船籍港等。对国际营运船舶而言，从公海上识别对方船舶信息是非常重要的。如果国际营运船舶在2004年7月1日后未安装AIS，那么就有嫌疑是海盗船，船舶就要作好应对措施并和主管机关方联系。
=
+
(4)
一天上午，我上课的时候突感身体不适，难受至极，苦挨到下课后直奔寝室睡了两小时。这是我当老师以来第一次不管不顾地睡过去。直到下午两点多，我到办公室继续奋战那还没有批改完的一摞摞试卷，时不时有学生进来问我好点了吗。我突然心头一震，回想这一年来，连调皮学生所给我的难堪，也都成了美好的回忆。
(5)
式中:
为水蒸气密度;
为水蒸气的体积分数;
为清水介质黏度;
为水蒸气黏度。
当代英国著名作家A.S.拜厄特（A.S.Byatt，1936—）的一部题为《孔雀与藤》（Peacock&Vine）的随笔于2016年夏由英国查托与温都斯公司出版。这部作品的出版令读者感到有些意外，因为拜厄特在2012年接受中国学者徐蕾的采访时曾说她的下一步小说将是一部超现实主义作品，小说标题可能叫作《黑暗是我们的份》（徐蕾，2013：164）①。不过，这部精巧的随笔也让喜欢拜厄特的读者再次感受到她独特的语言魅力和高雅的艺术品位。
1.2 湍流模型
图16为空化柔度在空泡脱落周期内的变化规律。结果表明,对两种不同翼型,空化柔度
均在正负之间交替变换,当
小于0时,若局部压力降低,空泡体积减少,此时多出的空间将由周围的流体补充,造成局部压力进一步降低,空泡在此种状态下是静态不稳定的。
(6)
(7)
式中:
为湍动能;
为对应生成项;
为湍流耗散率;
为对应的生成项;
为混合函数;
为湍流黏度;
、
、
、
为模型经验常数;
为0.09;
为1.176。
借鉴对
-
模型中湍流黏度修正的方法
,通过式(8)与(9)的结合,实现对SST
-
模型中湍流黏度的修正,密度修正函数如图1所示,从而实现降低空化区域湍流黏度的目的,计算过程中,
取值为10,表达式如下
(8)
(9)
1.3 空化模型
本文采用Zwart-Gerber-Belamri空化模型
求解绕翼型的非定常空化流动,该模型是对Kubota模型的改进
,可较好地捕捉空化流动的非定常特征,蒸发与凝结源项如下
(10)
(11)
式中:
为空泡半径,值为1×10
m;
为空化核体积分数;
为饱和蒸汽压,数值计算过程中,
=3 169 Pa;
为蒸发系数,值为50;
为凝结系数,值为0.01
。
2 数学模型
2.1 物理模型
鲫鱼身体表面布满鳞片(图2所示为鲫鱼鳞片实物图),不仅可起到保护作用,还可让其在水中畅快移动。受其启发,本文形成仿生特殊构型,结构示意图如图3所示,并布置于NACA0015翼型吸力面(后文均称表面含仿生特殊构型的翼型,原模型称为常规翼型),研究对水翼性能、空泡演化、空泡体积及其稳定性的影响,表面含仿生特殊构型的NACA0015翼型物理模型如图4所示。
相较于传统新闻叙事者而言，前文集中讨论的数据新闻“谋划者”是一种意图上的叙事，它是一种职能的变更和让渡。推动数据新闻叙事者发展的却不仅仅只有这一种因素，“数据”本身才是引起数据新闻叙事者质变的根本因素。
该翼型的主要几何尺寸如下:弦长
=100 mm,展向宽度
=4 mm,攻角
=8°。为获得理想的位置参数,选取鳞片构型最前端至翼型前缘的距离以及鳞片构型距翼型吸力面的距离作为两个可变参量,通过Design Expert软件进行正交实验从而获得仿生特殊构型的最佳位置几何参数。
方向上,仿生构型前缘距翼型前缘的水平距离为0.5
,构型的最大长度
=5.5 mm,圆弧半径
=
=
=2 mm;从翼型的展向(
方向)看,两层鳞片的高度分别为
=1 mm,
=0.9 mm。
2.2 网格划分
不同翼型网格无关性分析结果如表1与表2所示。随网格总数不断增加,空泡体积和升阻比的变化整体较小,对常规翼型,最大相对误差分别为1.19%与1.05%,对表面含仿生特殊构型的翼型,最大相对误差分别为2.24%与1.97%。在确保数值仿真结果准确性的同时,还需节约计算资源,最终确定用于开展数值计算的网格总数为0.7×10
。
=
+
式中:
为升力系数;
为阻力系数;
为翼型吸力面在
方向的投影面积。
计算域的网格离散是开展数值仿真与分析的核心步骤,网格质量的高低及其与几何模型的匹配程度将直接影响计算结果的可靠性。
2.3 仿真参数设置
通过ANSYS-CFX开展稳态与瞬态数值仿真计算,其中稳态计算结果是瞬态计算的基础。清水介质与水蒸气的密度分别为998.2 kg/m
与0.023 08 kg/m
,黏度分别为0.001 kg/(m·s)与1.26×10
kg/(m·s)。进口设置为速度进口,值为10 m/s;出口设置为压力出口,空化数
=0.8,通过下式可计算出压力
为43 049 Pa。
(12)
式中:
为无穷远处来流速度。
瞬态计算的时间步长为Δ
=5×10
s,总时长为0.6 s,共12 000步。计算域与边界条件如图6所示。
3 算法验证
为验证所构建的数值仿真算法的可靠性,设置相同的条件,对NACA0015翼型的表面压力系数进行计算,并与实验结果做对比
。翼型表面压力系数分布如图7所示,数值仿真结果与实验结果吻合良好,当
由0.012 5增至0.275时,最大相对误差为2.155%;当
由0.417增至0.825时,最大相对误差为2.063%;其余情况下的最大相对误差均小于1.9%。结果表明,通过所建立的数值仿真方法开展所研究内容的数值计算,所获结果是可靠的。
4 结果与讨论
4.1 水翼性能分析
图8与图9分别为升力与阻力系数变化的时域分析,其变化反映出翼型的水动力性能,表达式如下
(13)
(14)
本文通过ANSYS-ICEM软件实现网格划分,为更好的使网格与计算域边界拟合,采用六面体结构化网格,如图5所示,并对翼型近壁面处网格做加密处理,设置第一层网格高度为0.001,增长率为1.2,边界层厚度为3的15层网格。
斯特劳哈数
(Strouhal number)常用于衡量流动的非定常特征,表达式如下
例如，heart一词的基本意义是“心、心脏（身体内输送血液的重要器官）”，主要引申义有：（1）center of a person’s thoughts and emotions（心灵、衷心）；（2）enthusiasm(热心、热情)；（3）central,innermost or most important part of sth(核心部分、要点)；（4）thing shaped like a heart(心形物)；（5）beloved person(心爱的人)。其意义之间的映射关系可以表示为图1：
(15)
式中:
为空泡脱落的特征频率;
为翼型上空泡最大长度。
由图8和图9可知,翼型升、阻力系数的变化具有明显的周期性。表面含仿生特殊构型的翼型的升力系数波动最大值超过1.18,阻力系数波动最大值超过0.2;常规翼型的升力系数波动最大值超过1.24,阻力系数波动最大值超过0.25。升阻力系数的周期性变化不仅反映出云空化的周期性特征,还说明空化发展引起翼型周围压力场的剧烈变化表现为翼型升阻力的改变。
图10为升阻比的时域分析。两种不同翼型的升阻比的变化规律类似。对表面含仿生特殊构型的翼型,平均升阻比为3.10;对常规翼型,升阻比为2.89。升阻比的增加,表明表面含仿生特殊构型的翼型水动力性能得到提高。
与
表达式分别如下
由快速傅里叶变换,可获取升、阻力系数频域特性,如图11与图12所示。对表面含仿生特殊构型的翼型,由式(15)计算所得到的斯特劳哈数为0.18;对常规翼型,该值为0.19。结果表明,对表面含仿生特殊构型的翼型,非定常流动特征减弱。另一方面,表面含仿生特殊构型的翼型在相同频率下的幅值明显小于常规翼型下的,且幅值波动较弱,说明空化流场更加稳定。
两种不同翼型下均存有明显的次频。对表面含仿生特殊构型的翼型,升力系数的次频依次分别为50 Hz、90 Hz、110 Hz;阻力系数的次频依次分别为50 Hz、70 Hz、90 Hz。对常规翼型,次频依次分别为50 Hz、70 Hz、90 Hz与60 Hz、100 Hz、120 Hz。这都表明,空泡脱落过程中,还存有更快的小的空泡结构脱落和溃灭。
4.2 空泡周期性演化过程
图13为两种不同翼型下空泡周期性演化过程。
表示为一个周期,
为0.05 s。
=
时,翼型前缘均形成微小附着空泡;常规翼型尾缘存有一个狭长空泡,而表面含仿生特殊构型的翼型尾缘处为一个体积较小的空泡。
=
+(2
8)
时,附着空泡变大,且空泡尾缘脱离翼型吸力面;对常规翼型,空泡长度约为0.95
,尾缘脱离翼型表面,空泡呈内凹状;对表面含仿生特殊构型的翼型,空泡长度约为0.9
,尾缘处空泡呈椭圆状。
=
+(4
8)
时,附着空泡约在0.5
处被剪断,形成云状空泡脱落并向下游移动,此时常规翼型云状脱落空泡体积明显大于表面含仿生特殊构型翼型的。
=
+(6
8)
时,附着空泡全脱落;常规翼型尾缘存有一个体积较大的空泡,处于游离状态,另一个体积较小,黏连在翼型尾部;表面含仿生特殊构型的翼型流场中,为3个体积较小的空泡,一个靠近仿生构型,另两个位于翼型尾缘。
=
+(8
8)
时,常规翼型尾缘脱落空泡更大,而表面含仿生特殊构型的翼型尾缘处空泡相对较小。整个周期内,仿生构型对空化演化起到明显的抑制作用。
4.3 空泡体积
空泡是空化演化过程的最直观体现。图14为两种不同翼型空泡体积变化的时域分析图,均具有明显的周期性变化。对表面含仿生特殊构型的翼型,空泡体积随时间的整体变化小于常规翼型的。0.1 s内,表面含仿生特殊构型的翼型所形成空泡的平均体积为2 010.65 mm
;对常规翼型,为2 415.54 mm
,两者相差为404.89 mm
,差异较为显著。空泡体积的变化表明,仿生结构明显抑制空化流动的发展。
4.4 空化柔度
空化柔度
的定义
如下
通过阅读文献标题和摘要进行初筛；对初筛出的文献，通过阅读全文，由两名医学专业人员遵守严格的纳入排除标准背对背进行文献复筛；如出现异议，则由第三名专业人员参与复筛审核，最终完成文献的筛选。
(16)
式中:
为翼型上的空泡体积。监测点示意图如图15所示,
为压力监测点,位于翼型前缘,监测点与翼型前缘间距离为2 mm。
通过SST
-
湍流模型
求解湍流流动,该模型最显著的特征是将
-
模型与标准
-
模型的优势结合起来。求解过程中,混合函数的使用可实现
-
模型对近壁面的求解和
-
模型对远离壁面处的求解,方程如下
图16(a)为常规翼型
的变化过程,变化剧烈,这与吸力面上空泡脱落所造成的流体动压的剧烈变化有关。图16(b)为表面含仿生特殊构型翼型的
,虽然也在正负间变换,但是
变化的剧烈程度明显减弱,
小于0所对应的时间明显减少,说明表面含仿生特殊构型的翼型在空化状态下的不稳定振荡得到较为明显的改善。
3.既借鉴欧洲经验又从美国实际出发。整个美国社会的保障制度框架其实是从英国借鉴过来的，当英国开始出现福利思想的源头，即1601年英女王伊丽莎白一世颁布《济贫法》时，美国还处于未开化时期。1607年第一批英国移民在弗吉尼亚詹姆斯敦安营扎寨后，美国进入殖民期，开始逐渐受欧洲福利思想的影响并建立起一套自己的社会保障制度。同时，美国虽然看到这种“从摇篮到坟墓”模式的弊端，但在改革的过程中还是不可避免地出现了相对贫困的问题。
5 机理分析
5.1 压力分布
图17为两种不同翼型下的压力分布,低压区的分布与空泡的分布吻合良好,准确反映出空泡的演化发展过程。
=
时,两种不同翼型前缘均存有微小范围的低压区,这与前缘空泡分布吻合良好;对常规翼型,吸力面尾缘低压区范围大于表面含仿生特殊构型翼型下的。
=
+(2
8)
时,对常规翼型,低压区所延伸的范围较表面含仿生特殊构型翼型下的广;
=
+(4
8)
时,对比压力云图分布,常规翼型的整体平均压力较表面含仿生特殊构型翼型的低。
=
+(6
8)
时,常规翼型吸力面低压区较表面含仿生特殊构型翼型的明显大,且压力更低。
=
+(8
8)
时,两种不同翼型的前缘均存有微小低压区,在尾缘处均存有较大范围的低压区,且常规翼型下的更大。压力的变化准确反映出表面仿生特殊构型显著抑制空化的发展。
5.2 涡旋分布
图18为两种不同翼型吸力面涡旋分布。
=
时,常规翼型吸力面两个涡旋的分布范围较大,两者间的相互作用较强;对表面含仿生特殊构型的翼型,两个涡旋分布范围较小,同时两者间的相互作用也较弱。
=
+(2
8)
到
=
+(4
8)
时,常规翼型吸力面涡旋不断生长变厚且分布范围持续扩大;对表面含仿生特殊构型的翼型,吸力面涡旋变薄且长度有所变长。
=
+(6
8)
时,常规翼型吸力面尾缘有较大范围的区域被涡旋占据;对表面含仿生特殊构型的翼型吸力面,存有两个范围较大的涡旋,影响范围相对较长,但整体作用范围仍小于常规翼型下的。
=
+(8
8)
时,翼型吸力面涡旋向尾缘移动,常规翼型涡旋的作用范围仍大于表面含仿生特殊构型翼型下的。整个周期内,表面含仿生特殊构型的翼型吸力面涡旋对空化流动的影响较常规翼型下的弱,因此使流动变得更加稳定。
5.3 湍动能分布
湍动能是湍流强度的度量,是流动稳定性的重要标志,其大小可以反映流场的非定常强度。图19为一个周期内两种不同翼型下的湍动能分布。可以得到,对两种不同翼型,空泡周期性脱落过程中,翼型尾缘附近及翼型后方的湍动能整体较强,说明该区域具有更强的非定常性。整个周期性变化过程中,表面含仿生特殊构型翼型的湍动能区域及湍动能强度均小于常规翼型下的,说明流场更加稳定。主要原因是,表面仿生特殊构型会对主流和从翼型尾缘指向前缘的回射流均形成阻碍作用,流体的动能在表面仿生特殊构型周围转化为压力势能,使得流场中的局部压力升高,进而降低翼型周围的湍动能,达到对空化的抑制作用。
供应链信息共享不只是在单个企业内部信息管理与利用，也在整个供应链流动和传递。为了防止由于信息格式不统一、结构各异而造成的信息共享的效率低下和质量不好，供应链共享的信息必须实现标准化。各节点企业都必需意识到信息标准化的重要性，并自觉遵循信息共享的标准。
6 结 论
本文通过验证的数值算法开展常规翼型与表面含仿生特殊构型的翼型空化流动的数值计算,确定仿生特殊构型对空化流动影响的规律,并揭示机理。主要结论如下。
在园林花卉的管理过程中，应及时做好花卉的整形修剪工作，从而保证花卉的形状与周边的建筑、山石水景等一致。整修和修剪主要是提升花卉的可观赏性，同时调节花期。通常整形方式包括单干式、多干式、丛生式、悬崖式、攀缘式和匍匐式。修剪的主要内容为摘心、除芽、剥蕾、短截、疏枝、剪残花及去枯叶等。
(1)相同频率下,表面含仿生特殊构型的翼型升阻力幅值均明显小于常规翼型的,且幅值波动较弱。表面含仿生特殊构型翼型的平均升阻比为3.10,常规翼型的为2.89,水翼性能得到提高。
(2)对表面含仿生特殊构型的翼型,一个周期内空泡演化过程弱于常规翼型的,且空泡体积小于常规翼型下的。
(3)两种不同翼型的空化柔度均在正负之间变化。对常规翼型,空化柔度变化较剧烈,且小于0所对应的时间较多。对表面含仿生特殊构型的翼型,变化减弱且相应的时间减少。
(4)表面含仿生特殊构型的翼型下的低压区与涡旋整体分布范围较常规翼型下的小,湍动能分布区域较常规翼型的小且湍动能强度较其弱,在其影响下抑制空化发展,流场变稳定。
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