推进泵叶顶间隙空化水动力学

　　叶顶间隙泄漏涡空化是在推进泵内部流场中的一种常见空化形式，它不仅会导致推进泵水力性能的下降，还会显著增强推进泵的振动、噪声和空蚀，严重威胁推进泵及系统的安全，是工程实践中迫切需要得到解决的问题。为此，《推进泵叶顶间隙空化水动力学》以推进泵叶顶间隙空化为研究对象，较为全面地介绍推进泵叶顶间隙空化的试验测量技术、数值模拟方法、叶顶间隙泄漏涡识别技术、叶顶间隙泄漏涡的演变特性、空化对叶顶间隙流场的影响及其机制、推进泵间隙流场失稳及损失机理、推进泵间隙空化抑制策略等。

　　季斌，男，江苏盐城，1982年10月生，博士，教授，博士生导师。主要从事水力机械/船舶海洋装备空化水动力学应用基础研究。主持国家自然科学基金5项（1项青年、3项面上、1项优青），发表SCI论文90余篇，7篇论文入选ESI高被引论文，1篇论文被评为“2015年中国百篇具影响国际学术论文”，多篇论文获J. Hydrodyn.高被引论文奖，获省部级科技奖励4项，2015年入选湖北省“楚天学者计划”，2017年获湖北省杰出青年基金，2018年获周培源水动力学奖，入选爱思唯尔（Elsevier）中国高被引学者榜单（水利工程学科，2020年度）。

目录
第1章平直水翼试验与数值模拟方法 1
1.1 NACA0009 水翼 2
1.2 试验设备与方法 3
1.2.1 空化水洞简介 3
1.2.2 空化图像采集装置 4
1.2.3 激光多普勒测速装置 6
1.2.4 力（矩）测量系统 7
1.3 试验内容及试验流程 7
1.3.1 边界层厚度对TLV 空化的影响研究 7
1.3.2 TLV 空化的抑制策略研究 9
1.4 数值方法及设置 10
1.4.1 控制方程及大涡模拟方法 10
1.4.2 Schnerr-Sauer 空化模型 11
1.4.3 计算域及模拟设置 12
1.4.4 无空化流动网格划分及网格无关性分析 13
1.4.5 LES 空化流动网格划分及结果可靠性分析 18
1.5 数值模拟的算例汇总 22
1.6 本章小结 23
第2章气核对涡空化的影响及其模化方法 25
2.1 原始S-S 空化模型在TLV 空化中的适用性 26
2.2 椭圆翼梢涡空化流动 27
2.2.1 计算域及计算设置 27
2.2.2 网格生成及细化 28
2.3 原始S-S 空化模型对梢涡空化的预报 29
2.3.1 无空化条件下的梢涡特性 29
2.3.2 原始S-S 空化模型预测的梢涡空化 30
2.4 不可凝结气体对梢涡空化的影响 32
2.5 考虑气核效应的欧拉-拉格朗日空化模型 33
2.6 新空化模型预测的椭圆翼梢涡空化 36
2.7 新空化模型预测的TLV 空化 37
2.8 本章小结 39
第3章平直水翼TLV流动特性 41
3.1 TLV 的演变特性 42
3.1.1 TLV 演变特性，τ= 2.0 42
3.1.2 TLV 演变特性，τ= 0.7 43
3.1.3 TLV 演变特性，τ= 0.2 44
3.1.4 间隙范围的划分及其依据 45
3.2 常见涡拟合模型及其适用性评估 45
3.3 TLV 环量的影响因素及其预报框架 49
3.3.1 TLV 环量与水翼负载的本质关联 49
3.3.2 各间隙大小下的TLV 环量预报方法 53
3.3.3 TLV 环量预报框架及方法 60
3.4 TLV 半径的影响因素及定量评估 61
3.4.1 TLV 半径的影响因素 61
3.4.2 TLV 半径的定量评估 63
3.5 TLV 涡心处气核浓度的变化规律 65
3.6 本章小结 67
第4章平直水翼TLV空化流动特性 69
4.1 针对旋涡空化流动的新空化数 70
4.2 典型工况下TLV 空化的演变特性 72
4.2.1 间隙大小对空化演变的影响 72
4.2.2 TLV 空化的发展阶段及特点 77
4.3 空化对TLV 的影响 79
4.3.1 空化对TLV 强度的影响 79
4.3.2 空化对涡心气核分布的影响 81
4.3.3 空化对TLV 半径的影响 83
4.4 空化对涡量分布的影响 86
4.5 空化对湍动能分布的影响 88
4.6 边界层对TLV 空化的影响 92
4.7 本章小结 95
第5章平直水翼TLV空化控制方法 97
5.1 OHGs TLV 空化抑制器 98
5.2 OHGs 对TLV 空化的抑制效果及优化设计 99
5.2.1 不同空化抑制装置的效果对比 99
5.2.2 OHGs 结构参数的优化设计 101
5.2.3 *佳的OHGs 参数组合 103
5.3 OHGs 对TLV 空化的抑制机理 106
5.4 本章小结 109
第6章推进泵试验与数值模拟方法 111
6.1 推进泵几何模型及坐标系统设定 112
6.1.1 推进泵几何模型 112
6.1.2 坐标系统设定 112
6.2 推进泵主要性能参数定义 113
6.3 空化水洞简介 113
6.4 试验内容及试验流程 114
6.4.1 敞水性能试验 114
6.4.2 匀流场空化斗试验 115
6.4.3 LDV 试验 116
6.4.4 高速摄影试验 117
6.4.5 模型试验工况汇总 117
6.5 数值模型及方法 118
6.5.1 控制方程 118
6.5.2 湍流模拟方法 119
6.5.3 空化模型 122
6.6 计算域及计算设置 123
6.7 网格划分及网格无关性分析 124
6.7.1 网格划分策略 124
6.7.2 无空化工况结果可靠性分析 126
6.7.3 空化工况结果可靠性分析 126
6.8 本章小结 129
第7章推进泵TLV空化非定常特性 131
7.1 推进泵空化工况的选取 132
7.2 典型空化工况下叶顶间隙空化时空演变特性 133
7.3 不同空化工况下推进泵外流场特性分析 135
7.4 不同空化工况下推进泵外特性分析 138
7.5 推进泵内空化体积及压力脉动特性研究 141
7.6 本章小结 146
第8章推进泵TLV空化结构辨识及其演变特性 149
8.1 不同涡识别方法的简介 150
8.1.1 第一代涡识别方法 150
8.1.2 第二代涡识别方法 150
8.1.3 第三代涡识别方法 152
8.2 不同的涡识别方法对TLV 空化流动结构辨识的对比分析 153
8.2.1 Ω涡识别方法中ε的选取 153
8.2.2 不同涡识别方法的对比分析 155
8.3 基于Liutex 涡识别方法的TLV 空化流动宏观演变行为分析 159
8.4 基于Liutex 涡识别方法的TLV 空化涡动力学特性分析 163
8.4.1 TLV 涡心位置的变化规律 163
8.4.2 TLV 半径的变化规律 164
8.4.3 TLV 涡心处旋涡强度的变化规律 165
8.5 本章小结 165
第9章推进泵TLV空化动力学特性和湍动能输运分析 167
9.1 坐标系的介绍 168
9.2 叶顶间隙空化对涡量分布的影响 168
9.2.1 叶顶间隙空化对轴向涡量分布的影响 168
9.2.2 叶顶间隙空化对周向涡量分布的影响 169
9.3 柱坐标系下的涡量输运特性分析 170
9.3.1 柱坐标系下的涡量输运方程 170
9.3.2 轴向涡量输运特性分析 171
9.3.3 周向涡量输运特性分析 175
9.4 叶顶间隙空化对湍动能分布的影响 179
9.5 柱坐标系下的湍动能输运特性分析 181
9.5.1 柱坐标系下的湍动能输运方程的推导 181
9.5.2 TLV 空化流场中无量纲湍流的应力分布特性 182
9.5.3 TLV 空化流动中湍动能输运特性分析 186
9.6 本章小结 193
第10章推进泵TLV空化流场的不稳定及间隙损失 195
10.1 推进泵叶顶间隙空化流场的非定常波动特性 196
10.1.1 推进泵叶顶间隙空化流场波动分析 196
10.1.2 叶顶间隙空化流场中TLV 的破碎及不稳定性分析 203
10.2 推进泵TLV 空化的起始位置 209
10.3 不同空化工况下的推进泵叶顶间隙损失 212
10.3.1 推进泵叶顶间隙泄漏损失分析 212
10.3.2 推进泵叶顶间隙外的混掺损失分析 218
10.4 本章小结 223
参考文献 225