收缩扩张管内液氮空化流动演化过程试验研究

本文基于低温空化试验平台研究了收缩扩张流道内液氮非定常空化流动的演化过程. 试验采用高时空分辨率的高速摄像机对77 K液氮在不同空化数σ下空穴结构的演变进行了精细化的分析和研究. 利用试验得到的空穴长度和面积等数据, 定量分析了液氮空化流动的非定常特性与时空演变规律. 研究结果表明: (1)在相似来流速度和温度条件下, 随着空化数的减小, 液氮空化流动呈现四种典型流型, 空穴长度在2.5 h以内为初生空化、空穴长度在2.5 h ~ 7.5 h之间为片状空化、空穴长度在7.5 h ~ 15 h之间为大尺度云状空化, 空穴长度超过15 h为双云状空化, 且在大尺度云状空化和双云状空化阶段均捕捉到了回射流现象; (2)液氮空化流动从初生空化到双云状空化, 脱落空穴的尺度逐渐增大, 空穴面积脉动的幅值和准周期均有所增加. 同时, 在大尺度云状空化与双云状空化阶段, 喉口处堵塞效应对空化流动的影响显著增强; (3)相比于初生空化, 片状空化、大尺度云状空化以及双云状空化中脱落空穴的移动距离依次增加了0.97倍、2.65倍与2.68倍, 溃灭时间依次增加了1.18倍、3.59倍与4.47倍, 但溃灭速度依次减小了0.10倍、0.20倍与0.30倍. 除此之外, 对于双云状空化阶段, 存在两种显著不同的脱落空穴演化过程.      

自由场中液氮单空泡动力学特性的实验研究

本文专门设计搭建了低温介质空泡演化实验测试平台, 对液氮单空泡非定常演化过程和动力学特性开展了实验研究. 实验中利用电火花瞬态放电激发液氮汽化形成单空泡, 通过高速摄影系统对单空泡的瞬态特征进行了精细化捕捉. 为了进一步揭示低温介质独特的物理性质以及强热力学效应对单空泡演化过程的影响机制, 对比分析了在相同环境压力下, 77.41 K液氮和298.36 K水单空泡的演化过程和动力学特性. 基于实验得到空泡半径与界面速度等定量数据, 阐明了液氮单空泡球形与非球形演化阶段的非定常特性. 研究结果表明: (1) 在相同输入电压下, 液氮单空泡的整体尺寸比常温水更小, 当输入电压为400 V时, 液氮空泡的最大半径约为常温水空泡的0.69倍; 同时, 液氮单空泡经历了膨胀阶段?收缩阶段?振荡阶段以及上升阶段的演化过程. (2)液氮空泡的收缩过程主要由相界面的热传导主导, 没有明显的塌陷现象, 收缩阶段液氮空泡的最小收缩半径约为常温水的5.5倍. (3)在液氮空泡振荡初期, 空泡相界面传热增强, Rayleigh-Taylor不稳定与热力学效应共同引起了空泡界面的表面粗化效应; 在整个振荡阶段, 空泡界面附近存在破碎的小泡. 当输入电压较高时, 空泡底部的小泡数量显著增多. (4)由于液氮空泡浮力系数较大, 液氮空泡在演化后期空泡整体向上迁移显著, 液氮空泡底部收缩更快产生凹陷, 促使空泡变为环状.