Page 128 - 2023年第54卷第9期

模态的水力阻尼，实验 ［９］ 和双向流固耦合模拟都得到其随空化数降低而逐渐减小的规律，见图 ７（ｂ）。
说明在小空化数工况，共振发生时更有可能引发高幅值振动。将水力阻尼模拟结果与实验结果 ［９］ 相比
较，相对误差在 ６．９６％～２２．４８％之间，平均误差为 １３．５６％。且模拟得到的水力阻尼基本在实验的误差
棒范围内，验证了双向流固耦合法在空化时进行水力阻尼计算的可靠性。

图 ７ 不同空化数下的模态参数

５．２ 流动机理讨论 在 ｚ?ｗ ＝ ０．５的截面上，σ ＝ １．３９时，一个空化发展周期内的气体体积分数分布见
图 ８。其中，前缘附着空化刚开始脱落的时刻定义为 ｔ ＝ ０Ｔ。Ｔ为空化的发展周期，通过图 ６中的空化
脱落涡频率（ ｆ）计算得到，即 Ｔ ＝ １? ｆ。当 ｔ ＝ ０ Ｔ～２?３Ｔ时，前缘附着空化的长度逐渐增大。当 ｔ ＝ ５?６ Ｔ
ｃａ
ｃａ
时，存在明显的反向射流现象。反向射流从水翼尾缘向前缘发展，并在靠近前缘的位置切断前缘附着
空化，导致前缘附着空化的长度骤减。在反向射流机制下，前缘附着空化周期性的发展、回缩和断
裂，进而对水翼施加周期性的激振。

图 ８ 空化发展周期内的气体体积分布（ σ ＝ １．３９ ，ｚ ＝ ０．５ ｗ）

在 ｚ?ｗ ＝ ０．５的截面上，ｔ ＝ １?３Ｔ时，流场压力分布见图 ９（ａ）。在前缘附着空化和空化脱落云所在区
域，绝对压力低于饱和蒸汽压。在逆压梯度作用下，靠近壁面的空化区域出现负向速度。该现象可能是
导致图 ８中反向射流的主要原因。该时刻水翼绕流速度分布见图 ９（ｂ），主要分为两个区域。一是水翼压
力面以下的区域，该区域内的速度为来流速度。二是在水翼吸力面靠近壁面区域，该区域内的速度降低，
甚至出现局部负向速度。根据前人实验和数值结果 ［４，６，１０ － １４］ ，水翼一阶弯曲模态的水力阻尼随流速线性增
长。因此，对于水力阻尼随空化数降低而下降的现象，可解释为空化作用下的水翼吸力面速度下降。

６ 结论

基于双向流固耦合数值模拟方法，在攻角 α ＝ １０°、流速 ｖ ＝ ６．６４ｍ?ｓ和空化数 σ＝ １．０４～２．０２时，

— １ １ ８ —
３