失速条件下平板水翼涡空化的大涡模拟研究：低气压核触发机制与流动控制启示

针对水力机械失速工况下能量效率下降、振动噪声加剧及空化损伤等问题，研究人员通过实验与数值模拟结合，采用大涡模拟(LES)耦合Zwart-Gerber-Belamri(ZGB)空化模型，揭示了失速涡低压核触发空化的早期机制，阐明了前缘/尾缘反向旋转区的空化演化规律，为水力机械失速控制提供了理论依据。

　　

水力机械在运行过程中，当攻角或流速超过临界阈值时，会突然进入失速状态，导致升力骤降、效率恶化，并伴随剧烈振动和噪声。更棘手的是，失速引发的低压涡核可能触发空化现象，进一步加剧设备损伤。这一复合问题长期困扰着水力机械的安全运行，但传统研究多集中于空气环境中的失速现象，对水下失速涡与空化的耦合机制知之甚少。

针对这一空白，扬州大学的研究团队在《Ocean Engineering》发表论文，创新性地将大涡模拟(LES)与ZGB空化模型结合，首次系统研究了平板水翼在失速条件下的涡空化特性。通过高精度实验与数值模拟的相互验证，团队发现失速形成的涡结构低压核会直接触发空化早期发生，且空化同时出现在前缘和尾缘的反向旋转区域。研究还首次通过涡量输运方程阐明：涡量的拉伸与扭曲是主导失速涡演化的核心机制，而剪切层分离则是前缘涡(LEV)和尾缘涡形成的决定性因素。

关键技术方法包括：在扬州大学空化水洞开展实验，采用力传感器、高速摄像和粒子图像测速(PIV)技术同步采集升阻力、空化流场和压力脉动数据；数值模拟采用混合密度模型求解多相流控制方程，耦合LES湍流模型与ZGB空化模型；通过涡量输运方程定量解析涡空化相互作用机制。

【Flow characteristics of incipient cavitation at different angles of attack】
通过高速摄像观测发现：在+2°至+6°攻角范围内，空化仅发生于水翼前缘；当攻角增至失速临界值(+8°)时，空化同时在前后缘出现，且前缘空化体积扩大3倍。LES模拟显示失速状态下前缘剪切层分离会形成交替脱落的涡对，其低压核心区蒸汽体积分数达0.7以上。

【Conclusion】
研究得出三大创新结论：1) 失速涡低压核是触发空化的直接原因，导致前缘空化体积较非失速状态激增；2) 剪切层分离形成的LEV通过涡量拉伸效应主导空化演化路径；3) 第三阶段的涡结构脱落决定了失速空化的产生与传播轨迹。该成果为旋转机械失速研究提供了新范式，提出的LES-ZGB耦合方法误差仅3.2%，显著优于传统RANS模型。

讨论部分强调，该研究首次建立失速涡与空化的定量关联，揭示的涡量输运机制为主动控制技术（如动态攻角调节、仿生前缘优化）提供了明确靶点。特别是发现前缘半径增大可延缓LEV生成，这一结论对水力机械抗空化设计具有直接指导价值。研究团队建议后续可结合动态模态分解(DMD)方法，进一步解析失速空化的多尺度耦合特征。