固壁空蚀数值研究

空蚀是空泡在固壁附近溃灭对固壁材料产生破坏的现象。本文将空泡界面假设为自由面，并由VOF(Volume of Fluid)中界面构造精度较高的Youngs方法求解，通过直接计算原始变量的Navier-Stokes方程，数值模拟了空泡距固壁不同位置时溃灭对固壁造成的空蚀破坏。计算发现空泡溃灭产生高压脉冲相对于高速射流对空蚀形成起主导作用；空泡在流场中位置不同，高压脉冲对固壁上的空蚀破坏结果不同，并给出了距离界限。     

Fluent环境中近壁面微空泡溃灭的仿真计算

基于FLUENT软件环境,采用VOF模型和非稳态方法求解Navier-Stokes方程,模拟了近壁面的空泡溃灭过程,同时计算了空泡溃灭处与壁面的距离对射流强度的影响.结果表明：在近壁面,空泡将形成非对称溃灭,因水锤作用,引发高速水射流在壁面产生高压而形成空蚀破坏;基于FLUENT环境的计算结果与已有的实验和计算结果相符,为研究空泡溃灭和空蚀机制提供了类比的数值计算方法.     

壁面处气泡在静止流场和高速水流中溃灭过程的计算仿真

通过数值仿真计算,模拟近壁面以及附壁面气泡在静止流场和高速水流中的溃灭过程,研究气蚀作用机理.结果表明:气泡与壁面的距离和水流的速度影响其溃灭时间;附壁面气泡在高速水流中完全溃灭的时间最短,而在静止流场中最长,远离壁面将增加气泡的不稳定性;当气泡距离壁面一定距离溃灭时,射流不能直接作用于壁面,壁面承受冲击波的最大压力远小于气泡溃灭中心的压力;当气泡溃灭中心在壁面时,射流直接作用于壁面产生微小而严重的点破坏,而冲击波则使材料产生交变应力,造成环形破坏;当气泡在高速水流中溃灭时将产生逆流斜向射流,这可能是水力机械过流部件产生鱼鳞坑和波纹状破坏的主要原因.     

淹没磨料射流的空泡运动分析

通过对淹没条件下磨料射流的空泡运动分析研究,建立了淹没磨料射流的空泡运动方程,揭示了淹没磨料射流中空泡的溃灭特性,数值模拟了淹没磨料射流的磨料体积浓度以及空泡所处流场压力对空泡运动及溃灭的影响规律.分析表明:淹没磨料射流中磨料的存在增大流体的粘性系数,增大空泡溃灭历时,减弱射流的空蚀破坏能力;流场压力的改变对空泡溃灭过程影响显著,压力越高,空泡溃灭历时越短.     

泡内气体热力学性质对空泡溃灭的影响

数值研究固壁附近轴对称空泡溃灭问题. 忽略泡内气体与周围流体之间的质量和热交换, 假设气体瞬时处于热平衡状态, 通过引入不同的热力学模型, 考察泡内气体在空泡溃灭过程中的作用. 采用原始变量的Navier-Stokes方程作为流场的控制方程, 用流体体积方法跟踪运动空泡壁. 数值结果显示空泡溃灭过程中, 伴随空泡变形, 空泡发出多个高压脉冲和高速射流. 对于不同的热力学模型, 等温, 绝热和准绝热过程, 绝热过程能够最大程度抑制空泡溃灭, 从而减弱空泡溃灭对固壁造成的空蚀破坏. 在绝热及其类似过程中, 出现空泡回弹现象.     

脉冲磨料射流中球泡溃灭特性研究及数值分析

从理论上研究了脉冲磨料射流中空化球泡的溃灭特性,建立了脉冲磨料射流中空化球泡的动力学方程,数值计算分析了磨料浓度、磨料粒径、射流振荡频率和幅值以及流场压力对脉冲磨料射流中空泡溃灭过程的影响规律。研究表明,脉冲磨料射流中磨料的存在将增大空泡溃灭历时,从而减弱射流的空蚀破坏能力,其中磨料的粒径、浓度和流场压力影响幅度较大。     

自由场空泡溃灭过程能量转化机制研究

综合应用实验与数值模拟方法, 深入讨论了自由场空泡溃灭过程中的能量转化机制. 在实验研究中, 应用纹影法记录了空泡溃灭的演变过程, 提取了空泡在溃灭过程中的半径, 溃灭速度等数据, 结合空泡势能和动能方程, 描述了空泡能量的转化过程. 在开展数值模拟分析时, 运用弱可压缩流体质量守恒方程和动量方程, 建立了三维数值模型用以模拟空泡在自由场中的溃灭过程, 并且由结果中获取了空泡溃灭过程中的压力及速度变化规律, 揭示了空泡在溃灭过程中能量转化机制. 研究结果表明: (1) 自由场空泡在溃灭过程中, 空泡势能与空泡半径具有相同的演化趋势, 空泡动能与势能变化趋势相反; 当空泡达到最大半径处时, 空泡势能最大, 流场动能为零. (2) 溃灭后期在空泡周围会形成高压区域, 该区域的压力梯度与速度梯度较高, 随着空泡收缩, 高压区域面积逐渐减小. (3) 空泡在自由场中发生溃灭时, 空泡势能不断转化为流场动能, 在溃灭时刻可以明显观察到冲击波现象, 空泡的大部分能量会在此时转化为冲击波的波能.      

两空泡运动特性研究

本文应用边界方法研究了两个相邻空泡的运动特性,得到了空泡的演化规律,以及空泡溃灭时的射流速度与溃灭时间的变化趋势,对于两个空泡之间的距离和半径比的影响进行了讨论。计算结果表明：不同大小的空泡在一起时则小泡会先溃灭,且人泡的存在时间与两泡的半径比成正比;大泡对小泡来说其作用相当于－固壁面,小泡会形成－指向大泡的溃灭射流。相同大小的空泡在一起溃灭时,会同时形成指向中间的射 流,与单空泡在固壁面附近的溃     

水下爆炸近壁面流场局部空化形成机理

为深入认识水下爆炸近壁面流场局部空化的形成机理，采用自行研制的转镜式分幅相机，获得了炸药水下爆炸近壁面流场局部空化效应的光学图像，结合数值模拟和Taylor平面波理论、空泡动力学理论，分析了近壁面空化效应的形成过程。结果表明：界面反射的稀疏波作用和水中空化核的膨胀发展是水下爆炸近壁面流场空化效应形成的原因；外界流场压力对空泡初期膨胀运动影响较小，对空泡后期运动行为影响较大；低压环境下不同尺度空泡的运动行为存在较大差异，小尺度空泡（半径小于10μm）在低压环境下处于快速膨胀、溃灭状态，对流场空化影响较小；大尺度空泡（半径大于10μm）可失去稳定性，半径持续增大，对流场空化区的形成影响较大；水中不同尺寸空泡空间分布的随机性可导致空化区成长过程中呈现非规则形状。     

N表面张力对近固壁二空化泡影响的数值研究

在忽略浮力下，用边界积分方法数值模拟了表面张力对固壁之上且靠近固壁的二轴对称空化泡生长和溃灭的影响，发现在下空泡最大等效半径为上空泡一半情形，若固壁对下空泡的Bjerknes力大于上空泡对下空泡的Bjerknes力，则表面张力的作用将使下空泡溃灭加速，使其向下的液体射流变强变宽；若固壁对下空泡的Bjerknes力小于上空泡对下空泡的Bjerknes力，则表面张力的作用将使下空泡溃灭变慢，使其向上射流变弱变细长；若这两个Bjerknes力近于相等，则表面张力将会对下空泡溃灭有重大作用，如改变下空泡射流的方向甚至形式(如由环状变向下或由向上变环状)，当上空泡等于或小于下空泡时，表面张力将不会对这两个空泡的行为产生显著影响，定性地分析了表面张力作用的机理。     

空蚀坑周围彩虹区的形成机理

经过1 min的超声振动空蚀试验后,在不锈钢试样表面形成的空蚀坑周围出现环形彩虹区.表面检测结果表明,该区域经历了高于300℃的高温加热过程.数值计算结果表明在空泡溃灭形成的微射流的高速冲击下,试样表面材料在短时间内发生的塑性变形所释放出的能量是造成材料局部升温的主要原因.在塑性变形相同的情况下,材料的导热系数是影响彩虹环区域大小的关键因素.     

近壁声空泡溃灭微射流冲击流固耦合模型及蚀坑反演分析

超声场下液体环境中近壁空泡溃灭会产生强烈的微射流，为探究微射流冲击壁面流固耦合效应，利用流体力学及冲击动力学，考虑了率相关的J-C材料本构模型，建立并分析了微射流冲击壁面流固耦合三维模型，并通过超声空化试验和基于球形压痕试验理论的反演分析进行了验证。结果表明:微射流冲击下材料表面出现微型凹坑，凹坑深度由微射流速度和微射流直径共同决定且随其增大而增大，凹坑直径主要与微射流直径正相关，而凹坑径深比则主要与微射流速度负相关；壁面压强基本呈对称分布且最大压强出现在微射流冲击边缘；超声空化试验验证了微射流冲击下材料表面出现的微型凹坑，反演分析方法表明，在16～18的径深比下，微射流冲击强度为420～500 MPa，对应的微射流速度为310～370 m/s。试验及反演分析结果与理论分析结果相符，验证了流固耦合模型及反演分析方法的合理性及准确性，为后续工程应用中空化强度、微射流速度等的控制提供了理论参考。     

射流对绕水翼云空化流动抑制机理研究

为理解绕水翼云空化流动的发展机理和探究水翼吸力面开孔射流的影响,采用密度修正的RNG k-ε湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型对原始NACA66(mod)水翼和采用射流后的水翼的云空化非定常过程进行模拟和对比分析;采用在水翼吸力面近壁区设立监测线的方法对近壁区的流场进行监测,得到近壁区汽相体积分数、回射流速度、压力及压力梯度的时空分布云图;开展了云空化流场特性的涡动力学分析,进而分析水翼云空化的发生机理和射流抑制空化的抑制机理.结果表明:游离型空泡在下游溃灭时产生强烈的局部高压,其向上游传播导致前缘空穴的一次回缩,而空穴的二次回缩受回射流的影响.回射流的发展区域受限于较高的压力梯度,高的压力梯度一直存在,但回射流在一个周期内的首次出现需要时间的积累.在水翼吸力面射流使得射流孔附近压力升高,弥补了由于空化和绕流造成的压降,压力梯度增大,抗逆压能力增强,对回射流起到阻挡作用;另一方面,射流使得回射流区域面积和回射流的强度也有所减小,从而对云空化的发展起到抑制的效果.Q准则的涡结构云图相比于汽相体积分数云图能显示复杂的流动结构,前缘附着型空穴和尾缘游离型空穴内存在旋涡,回射流对空穴存在剪切作用造成空穴脱落.而射流对空穴和回射流的剪切和阻挡使云空化发展得到抑制.     

射流对绕水翼云空化流动抑制机理研究

为理解绕水翼云空化流动的发展机理和探究水翼吸力面开孔射流的影响,采用密度 修正的RNG $k$-$\varepsilon $湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型对原始NACA66(mod) 水翼和采用射流后的 水翼的云空化非定常过程进行模拟和对比分析;采用在水翼吸力面近壁区设立监测线的方法对近壁区的流场进行监测,得到 近壁区汽相体积分数、回射流速度、压力及压力梯度的时空分布云图;开展了云空化流场特性的涡动力学分析,进而分析水 翼云空化的发生机理和射流抑制空化的抑制机理. 结果表明:游离型空泡在下游溃灭时产生强烈的局部高压,其向上游传播 导致前缘空穴的一次回缩,而空穴的二次回缩受回射流的影响. 回射流的发展区域受限于较高的压力梯度,高的压力梯度一 直存在,但回射流在一个周期内的首次出现需要时间的积累. 在水翼吸力面射流使得射流孔附近压力升高,弥补了由于空化 和绕流造成的压降,压力梯度增大,抗逆压能力增强,对回射流起到阻挡作用;另一方面,射流使得回射流区域面积和回射 流的强度也有所减小,从而对云空化的发展起到抑制的效果. $Q$准则的涡结构云图相比于汽相体积分数云图能显示复杂的 流动结构,前缘附着型空穴和尾缘游离型空穴内存在旋涡,回射流对空穴存在剪切作用造成空穴脱落. 而射流对空穴和回射 流的剪切和阻挡使云空化发展得到抑制.      

水中高压脉动气泡水射流形成机理及载荷特性研究

具有脉动特性的气泡(如水下爆炸气泡、螺旋桨空泡和气枪气泡)动力学行为很大程度上取决于其边界条件.实验已证实,近自由液面气泡在坍塌过程中常常产生背离自由液面的水射流现象,而近刚性边界气泡在坍塌阶段产生朝向壁面的高速水射流,严重威胁水中结构的局部强度.前人基于Rayleigh-Plesset气泡理论和"Bjerknes"力来预测气泡射流方向,然而理论方法难以透彻的揭示气泡射流的初生、发展和砰击过程中丰富的力学机理.本文首先采用水下高压放电技术产生气泡,并通过高速摄影对不同边界条件下气泡的运动特性进行实验研究.然后,采用边界积分法模拟气泡非球状坍塌过程.研究表明,边界条件改变了气泡周围的流场压力梯度方向,进而影响气泡射流初生位置;射流在发展阶段,气泡附近流场的局部高压区和射流之间存在"正反馈效应",从而揭示了气泡射流速度在短时间内即可增加到百米每秒的力学机理.射流砰击会在流场中造成局部高压区,随着气泡回弹,射流速度和砰击压力逐渐减小.本文还探讨了无量纲距离参数对气泡运动及射流砰击载荷的影响,旨为近场水下爆炸等相关领域提供参考.     

单空泡与自由液面相互作用规律研究进展

空化与空泡溃灭现象普遍存在于自然界、水力机械和生物医学等领域.空泡与自由面相互作用会产生瞬态强烈耦合,涉及到空泡非球形溃灭、自由面非线性变形及失稳等现象,是流体力学领域重要的前沿与基础问题.本文围绕这一热点,从空泡非球形演化和自由面变形规律角度出发,概述和归纳近年该领域的研究进展与成果.对于近自由面空泡的非球形演化,基于表征开尔文冲量的无量纲参数,重点关注了体积振荡、射流生成、水锤效应及溃灭冲击波生成等关键过程,介绍了关键参数的理论建模方法,获得了空泡溃灭过程中能量分配机制.针对自由液面变形演化,根据细射流和粗射流生成和发展,归纳了4种典型现象及特点:透明水层及水柱生成、不稳定与稳定冠状水裙结构.进一步总结了开尔文冲量理论、界面凹陷奇点概念和泰勒不稳定性等理论模型的建立和应用,讨论了气泡溃灭过程、液面射流和界面稳定性等主要机制.此外,本文也概述了空泡脉动对球状、圆柱状等非平面液面变形行为的影响,归纳了曲率对于液面变形的影响机制.最后,针对目前研究状况提出该领域研究中尚未解决的问题,期望对将来的空泡及空泡群与自由液面相互作用深入研究提供借鉴.     

水中高压脉动气泡水射流形成机理及载荷特性研究

具有脉动特性的气泡(如水下爆炸气泡、螺旋桨空泡和气枪气泡)动力学行为很大程度上取决于其边界条件. 实验已证实,近自由液面气泡在坍塌过程中常常产生背离自由液面的水射流现象,而近刚性边界气泡在坍塌阶段产生朝向壁面的高速水射流,严重威胁水中结构的局部强度. 前人基于 Rayleigh-Plesset 气泡理论和 “Bjerknes” 力来预测气泡射流方向,然而理论方法难以透彻的揭示气泡射流的初生、发展和砰击过程中丰富的力学机理. 本文首先采用水下高压放电技术产生气泡,并通过高速摄影对不同边界条件下气泡的运动特性进行实验研究. 然后,采用边界积分法模拟气泡非球状坍塌过程. 研究表明,边界条件改变了气泡周围的流场压力梯度方向,进而影响气泡射流初生位置;射流在发展阶段,气泡附近流场的局部高压区和射流之间存在“正反馈效应”,从而揭示了气泡射流速度在短时间内即可增加到百米每秒的力学机理. 射流砰击会在流场中造成局部高压区,随着气泡回弹,射流速度和砰击压力逐渐减小. 本文还探讨了无量纲距离参数对气泡运动及射流砰击载荷的影响,旨为近场水下爆炸等相关领域提供参考.      

单液滴内空化气泡的生长及溃灭研究

超空化燃油射流使得喷雾中部分燃油分裂液滴内含有空化气泡;空化气泡的生长及溃灭对液滴的分裂与雾化具有重要影响. 基于VOF 方法首次对超空化条件下燃油液滴内空化气泡的生长及溃灭过程进行了数值模拟. 通过研究发现,单液滴内空化气泡的生长过程可以按控制机理划分为表面张力控制阶段、综合竞争阶段和惯性力控制阶段;在第I 阶段,空泡的生长主要受表面张力的控制作用,惯性力对空泡生长的促进作用及黏性力对空泡生长的抑制作用可以忽略;在第II 阶段,空泡的生长受表面张力、惯性力及黏性力三者的综合作用,空泡的生长速率是促进空泡生长的惯性力和抑制空泡生长的表面张力及黏性力相互竞争、共同作用的结果;在第III 阶段,空泡的生长主要受惯性力的控制作用,抑制空泡生长的表面张力及黏性力的作用基本可以忽略. 单液滴内空化气泡的溃灭过程由多个溃灭阶段和反弹阶段构成,类似于有阻尼弹簧振子的振动过程;根据每个溃灭周期结束时空泡半径随时间的变化历程,可以将空泡的溃灭分为快速溃灭期、缓慢溃灭期以及稳定期;溃灭初期空泡溃灭压力的变化非常剧烈,但空泡溃灭体积的变化则要相对平缓得多;空泡反弹压力随时间的变化与空泡反弹体积随时间的变化基本对应.      

CFG桩复合地基沉降影响因素分析

对绕2D水翼无分离流边界层内的初生空化形态进行了实验研究. 采用高速摄像机观测 了空化初生结构的形态，应用2D-LDV测量了空化初生时翼型周围的流动速度分布，并对实 验结果进行了分析. 结果表明：绕水翼无分离边界层内，初生空化结构中空泡伴随 着近壁湍流拟序结构的发生而出现，在初生空化条件下，形成空化涡结构，大量的微空泡产生于发夹 涡结构中，并在涡结构的猝发过程中出现生成---长大---溃灭---反弹---再溃灭的过程. 初生空 化涡结构具有空泡和近壁拟序结构双重特性.     

微颗粒对超声空蚀影响的试验研究

为了探明微颗粒对超声空蚀影响的具体机制,使用超声振动空蚀试验装置对45钢在四种不同的微颗粒-纯水的悬浊液中的空蚀行为进行了研究,使用扫描电子显微镜和激光共聚焦显微镜观测空蚀后的样品表面,对空蚀坑的数量分布及微观结构进行分析,结果表明空蚀破坏程度与SiO₂悬浊液浓度有重要关联. SiO₂悬浊液存在1个临界浓度,小于临界浓度时,空蚀破坏程度随浓度的增加而增大;大于临界浓度时,空蚀破坏程度随浓度的增加而减弱. 空蚀破坏程度随粒径的增大而减弱,但空蚀坑的坑径随微颗粒粒径的增大而增大. 相比于纯水介质,添加SiC、Al₂O₃和SiO₂微颗粒均会加剧空蚀破坏程度,其中,SiC微颗粒对空蚀破坏的促进最为显著. 相比之下,Al微颗粒添加后空蚀破坏却明显减弱,起到了抑制超声空蚀的作用,这可能与不同颗粒所负荷不同电荷类型有关.