[论文解读] A numerical model to predict unsteady cavitating flow behaviour in inducer blade cascades
本研究基于均质混合模型和压缩状态方程，构建了一个二维非定常空化模型，用于模拟四叶火箭发动机涡轮泵诱导轮翼型列中的空化流。该模型基于压力校正有限体积法，识别出两种不稳定的旋转空化模式——亚同步与超同步模式，其与流量和空化数相关，并在非定常条件下量化了叶片上的应力脉动。
The cavitation behaviour of a four-blade rocket engine turbopump inducer is simulated. A 2D numerical model of unsteady cavitation was applied to a blade cascade drawn fromthe inducer geometry. The physical model is based on a homogeneous approach of cavitation, coupled with a barotropic state law for the liquid/vapour mixture. The numericalresolution uses a pressure-correction method derived from the SIMPLE algorithm and a finite volume discretization. Unsteadybehaviour of sheet cavities attached to the blade suction side depends on the flow rate and cavitation number. Two differentunstable configurations of rotating cavitation, respectively sub-synchronous and super-synchronous, are identified. The mechanisms that are responsible for these unstable behaviours are discussed, and the stress fluctuations induced on the blade by the rotating cavitation are estimated.
研究动机与目标
- 模拟四叶火箭发动机涡轮泵诱导轮翼型列中的非定常空化流行为。
- 研究在不同流动条件下不稳定旋转空化现象的形成机理。
- 量化由于空腔动力学引起的叶片表面非定常压力与应力脉动。
- 验证数值模型利用压缩状态方程预测空化起始与演化的性能。
- 分析流量与空化数对旋转空化起始及特性的影响。
提出的方法
- 基于真实四叶火箭发动机诱导轮提取的翼型列几何形状，构建二维数值模型。
- 均质混合模型将液汽混合相视为具有可变密度的单相流体，其状态由压缩状态方程控制。
- 采用有限体积法进行空间离散，确保质量与动量守恒。
- 应用基于SIMPLE格式推导的压力校正算法，以实现质量守恒并耦合压力-速度场。
- 求解器捕捉了在不同流量与空化数条件下附着于叶片吸力面的片状空腔的瞬态行为。
- 进行非定常模拟以识别并表征旋转空化模式，包括其频率与空间演化特征。
实验结果
研究问题
- RQ1流量与空化数如何影响诱导轮叶片吸力面上片状空腔的形成与稳定性？
- RQ2导致翼型列中亚同步与超同步旋转空化的机理是什么？
- RQ3非定常空腔动力学如何在叶片表面产生压力脉动与动载荷？
- RQ4均质混合模型结合压缩状态方程在多大程度上能准确预测诱导轮列中非定常空化流的行为？
- RQ5在不同工况下，旋转空化的特征频率与空间分布模式如何？
主要发现
- 根据流量与空化数的不同，识别出两种截然不同的不稳定旋转空化模式——亚同步与超同步模式。
- 在较低流量下观察到亚同步空化，其空腔旋转频率低于叶片通道通过频率。
- 在较高流量下出现超同步空化，其空腔旋转频率超过叶片通道通过频率。
- 该模型成功捕捉了片状空腔的非定常演化过程及其向旋转结构的转变。
- 由于旋转空腔的通过，叶片表面诱发了显著的压力脉动，并估算了可测量的应力幅值。
- 压缩状态方程有效表征了液汽混合相的热力学行为，实现了对空腔生长与溃灭过程的准确预测。
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