空化器参数对超空泡形成和发展的影响

为了探索超空泡的生成机理和形态变化规律,依据其产生方式,进行了自然超 空泡高速射弹试验和通气超空泡水洞试验研究. 分析了超空泡的生成过程和空化器参数对形 成超空泡的临界空化数和通气系数门限值的影响. 研究了超空泡形态尺寸变化的特性,空化 器直径和线型对自然和通气超空泡的形态尺寸有相类似的影响规律：超空泡尺寸随着空化器 直径的增加而增加;在相同条件下,钝头空化器要比圆锥形空化器更容易形成超空泡;相对 较小的直径空化器很难形成透明的通气超空泡,其主要原因是自然空化数没有降到足够低. 此外,研究表明空化器直径对通气超空泡的细长比的影响较大,这与对自然超空泡形态的影 响不相同. 最后,对空化器的未来研究发展进行了展望.     

空化水动力学非定常特性研究进展及展望

空化作为一种重要的复杂水动力学现象,具有明显的三维流动特征与剧烈的非定常特性,在水力机械、船舶推进器、水利工程中广泛存在,且通常会带来不利的影响,长期以来一直是水动力学领域研究的重点与难点课题之一.本文首先从实验测量和数值模拟两个角度,综述了空化水动力学非定常特性研究的发展概况, 分析了当前存在的问题.在空化实验研究中,主要介绍了空化水洞、空化流场测量以及多物理场同步测量等方面所取得的进展.在数值模拟方法中, 对目前的空化模型和湍流模型进行了分类介绍,并重点讨论了大涡模拟、验证和确认等在空化流模拟中的应用.之后以附着型空化为主, 同时兼顾云状空泡、空蚀、涡空化等,梳理了其研究中存在的几个关键科学问题,包括空化演变、空化流动的三维结构、失稳机制、空化不稳定性及其与低频压力脉动的联系、空化与旋涡的相互作用、空化与弹性水翼的流固耦合、空化对尾流场影响等.最后展望了空化水动力学的研究方向和未来发展趋势.      

水下航行体通气超空泡形态实验研究

在水洞中对航行体模型的通气超空泡形态及其影响因素进行了系列实验研究。在低速的情况下通过向空化器下游通入空气生成了超空泡。通过改变水洞速度、压力，通气参数，模型外形和状态产生了多种超空泡外形并研究了超空泡外形与空化器、空化数和通气参数之间的关系以及影响超空泡形状的因素，得出了有益的结论。对于下一步的研究工作具有指导意义，对于航行体超空泡外形控制技术的研究具有重要参考价值。     

轴对称体通气空泡的水动力试验研究

本试验的目的是研究轴对称体在通气空化下从局部空泡发展到超空泡状态过程中对水动力的影响，探讨怎样才能实现空化减阻的问题。根据试验要求及目的我们设计了一雷体模型及一整套的试验装置，并在重力直流式水洞中对模型进行一系列的试验，包括自然空化试验与通气空化试验。试验过程中采用了三分力天平、数据采集／转换卡及计算机记录水动力数据。整个试验过程解决了两个关键问题：一是怎样获得稳定的通气量，二是如何进行数据采集处理。采用1127／1128型空气速度校准器的过滤器／调压器组件改装做成一个通气装置解决第一个问题；采用12位16通道的PCL-818L型A／D转换卡，用LABVIEW语言编写的实时采样软件来处理数据。根据试验所得到的数据，进行深入的分析，得到了在通气空泡发展到超空泡状态可以大大减小阻力的结论。     

通气法控制超空泡流动的实验研究

在高速水洞中运用人工通气方法进行了航行体模型超空泡形态特性的系列实验研究.获得了不同通气流量、不同空化数和不同弗鲁德数下的空泡形态,建立了以弗鲁德数为参数的空泡几何特征参数与空化数的对应关系、空化数与通气流量系数之间的对应关系.验证了空化数是决定空泡尺度的主要无因次参数,通过改变通气流量可以有效地调控空化数,进而达到控制空泡形态的目的.文中同时给出了通气流量系数的实验曲线拟合公式,并与国外的相关实验和公式进行了比较,两者基本一致.所得结论对进一步的水下超高速航行体空泡形态控制技术研究具有参考价值.     

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.      

空泡外形测量与分析方法研究

空泡外形及其特征参数是超空化试验研究的一个重要方面,它的测量和分析是一个耗时而又存在较大误差的过程。本文研究了空泡外形记录、测量、分析的全过程,提出了空泡外形的数字化测量、处理方法,采用椭圆拟合法进行了空泡外形特征参数的识别,研制了空泡图像的测量和分析处理系统,实现了空泡图像测量和处理的自动化、数字化与标准化,同时也提高了空泡图像测量的精度与可信度。     

空化噪声的极值

本文通过实验指出,空化噪声存在着极值,并对极值出现的原因进行了理论分析.     

空化起始的理论预测——模糊空化系统

木文建立了一个模糊空化系统、运用模糊数学的理论对空化起始问题进行了理论预测、根据反映空化核群空化行为的四个空化特征值和由试验得出的一些定性规律,用模糊理论的方法得出控制系统空化状态的模糊状态转移矩阵,从而估算出系统的空化状态。用本文所提出的方法对两种轴对称头体的空化起始进行了预测。所得的结果与相应的试验结果相当满意地符合。     

绕水翼空化流动多尺度数值研究

空化的多尺度效应是一种涉及连续介质尺度、微尺度空化泡以及不同尺度间相互转化的复杂水动力学现象, 跨尺度模型的构建是解析该多尺度现象的关键. 本文基于欧拉-拉格朗日联合算法, 通过界面捕捉法求解欧拉体系下大尺度空穴演化, 通过拉格朗日体系下离散空泡模型求解亚网格尺度离散空泡的运动及生长溃灭. 同时, 通过判断空泡与网格尺度间的关系判定不同尺度空化泡的求解模型. 基于建立的多尺度算法对绕NACA66水翼空化流动进行模拟, 将数值结果与实验进行对比, 验证了数值计算方法的准确性. 研究结果表明, 离散空泡数量与空化发展阶段密切相关, 在附着型片状空穴生长阶段, 离散空泡数量波动较小, 离散空泡主要分布在气液交界面位置; 在回射流发展阶段, 离散空泡逐渐增加并分布在回射流扰动区; 在云状空穴溃灭阶段, 离散空泡数量增多且主要分布在气液掺混剧烈的空化云团溃灭区. 在各空化发展阶段, 离散空泡直径概率密度函数均符合伽玛分布. 空化湍流流场特性对拉格朗日空泡空间分布具有重要影响, 离散空泡主要分布在强湍脉动区、旋涡及回射流发展区域.      

环形喷管喷口气泡演化的实验研究

水下气泡的发展演化及气泡动力学行为是气液两相动力学的基础理论与水下射流应用的重要基础. 环形喷管/喷口形成的气泡及气体射流具有其不同于圆孔实心射流的特殊表现与规律机制,随着同心筒破水发射等特殊应用的出现,环形喷口气体射流/泡流的基础现象观测和机制分析成为迫切的需求. 基于环形喷管的设计和水下射流条件的分析,设计建立了一套环形喷管水箱实验系统,对水下环形喷管喷口气泡发展演化过程进行了初步的实验研究. 为观测研究气体通过环形喷管气泡生长发展过程,在较低压力、较低流速下,采用高速摄影仪记录气泡生长及发展演化过程. 结合对气泡发展演化过程的图像处理与分析,研究分析了环形喷口气泡形成区制、气泡生长过程形态发展特点、以及气泡形成时间及气泡体积变化特点. 研究表明:在本实验气体流量范围内(50.8~237.3 dm3/min),环形喷口气泡发展演化过程呈现较为明显的三周期区制,前泡尾流影响是环形气泡呈三周期区制的主要原因;不同周期内的气泡形成时间具有较稳定规律,并受到流量影响;气泡生长过程中有较为明显的下沉、回升特征;气泡表面张力、液体惯性与流动的共同作用,造成了典型的气泡顶部坍塌现象.      

The motion of a small bubble in waves

The motion of a single spherical small bubble due to buoyancy in the ideal fluid with waves is investigated theoretically and experimentally in this article. Assuming that the bubble has no effect on the wave field, equations of a bubble motion are obtained and solved. It is found that the nonlinear effect increases with the increase of the bubble radius and the rising time. The rising time and the motion orbit are given by calculations and experiments. When the radius of a bubble is smaller than 0.5mm and the distance from the free surface is greater than the wave height, the results of the present theory are in close agreement with measurements. The project supported by the National Natural Science Foundation of China     

BUBBLE CHARACTERISTICS IN A TWO-DIMENSIONAL VERTICALLY VIBRO-FLUIDIZED BED

Measurement of bubble size and local average bubble rise velocity was carried out in a vertically sinusoidal vibro-fluidized bed. Glass beads of Geldart group B particles were fluidized at different gas velocities, while the bed was vibrated at different frequencies and amplitudes to study their effects on the bubble behavior. This is compared with the case of no vibration in a two-dimensional bed and it is concluded that with vibration the local average bubble size, dbav, decreases significantly, especially at minimum bubbling velocity. The average bubble size increases slightly with increasing vibration frequency and amplitude. The local average bubble rise velocity is higher than that with no vibration, though with increasing vibration frequency and amplitude, it does not change significantly.     

Numerical study of bubble rise and interaction in a viscous liquid

In this article, the flow instabilities during the rise of a single bubble in a narrow vertical tube are studied using a transient two-dimensional/axisymmetric model. To predict the shape of the bubble deformation, the Navier-Stokes equations in addition to an advection equation for liquid volume fraction are solved. A modified volume-of-fluid technique based on Youngs' algorithm is used to track the bubble deformation. To validate the model, the results of simulations for terminal rise velocity and bubble shape are compared with those of the experiments. The effect of different parameters such as initial bubble radius, channel height, liquid viscosity and surface tension on the shape and rise velocity of the bubble is investigated.     

壁面约束对裙带气泡动力学的影响

基于流体体积法(volume of fluid,VOF),数值模拟了装满黏性液体的圆柱形汽缸中的裙带气泡的浮升运动,研究了侧壁面约束对裙带气泡浮升动力学的影响.用雷诺数(Re)、韦伯数(We)、长宽比(χ)、裙带厚度(T/d)和裙带长度(L/d)等参数来表征不同约束比条件下(1.1≤Cr≤10)裙带气泡的运动和变形特性,分别在全局参考系和局部参考系下分析了壁面对气泡内外流场的影响.模拟结果显示,当Cr≥8时,裙带气泡的行为特性与在无界流域条件下的情况相当,可视作壁面无关的.当Cr8时,壁面对裙带气泡的浮升速度和形状演化有显著影响.随着壁面的靠近,裙带气泡受到的阻力增大,造成浮升速度下降.约束比降低使裙带厚度增厚而长度变短直至裙带消失,裙带气泡受挤压而被拉长并逐渐变为椭圆球帽形最后到子弹形.相反,约束比增大时,裙带气泡尾流效应增强,气泡边缘处流场产生明显的循环流动(涡环),促使裙带的形成.研究表明壁面会加剧裙带气泡产生破碎,印证了前人的推断.模拟结果与已有的经验公式吻合良好,分析了前人公式的适用性.     

海洋大气间气泡的气体输运

研究球形小气泡在理想流体的波浪场中的气体扩散过程,把小雷诺数下均匀来流绕流球形气泡的气体交换结果与气泡运动方程耦合在一起进行求解．讨论了溶解于水中的气体浓度、波浪、气泡半径、气泡初始深度对单个气泡气体扩散量的影响．由于气泡云对气体的输运,溶解于水中的气体可出现过饱和状态．对１０ｍ／ｓ风速下气泡云的气体输运量进行了计算,得到水中Ｏ２的过饱和度可达１．８９％～３９２％,与实际观测值一致．     

固液两相流体中的空泡溃灭计算

本文导出了固液两相流体中球空泡溃灭的运动方程,计算并讨论了空泡溃灭过程中的颗粒运动和颗粒对空泡溃灭的影响,得到了固相浓度、颗粒尺寸等因素与空泡溃灭之间的定性关系。在分析过程中,考虑了液体与固体颗粒之间的阻力耦合作用。     

Bubble collapse in solid-liquid two-phase fluid

Equations of motion for bubble collapse in solid-liquid two-phase fluid have been derived, in which the resistance coupling effects between the liquid and solid particles have been considered. The motion of particles during the bubble collapse and the effects of particles on bubble collapse have been calculated and discussed. Qualitative relations between the concentration and the size of the particles and the rate of bubble collapse have been obtained. Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power Research     

圆锥泡声致发光气泡动力学过程的理论分析

在绝热压缩模型的基础上, 详细讨论了圆锥泡声致发光中气泡运动的动力学过程,得到 了气泡塌陷速度方程、气泡内压强方程以及温度方程. 结果显示在气泡进入圆锥腔的初始阶 段,气泡的塌陷速度随着压缩半径的不断减小近似线性地增加;然后随着压缩半径的进一步 减小,气泡塌陷的加速度逐渐减小;当气泡塌陷速度达到最大值后,随着气泡压缩半径的 进一步减小, 塌陷速度迅速下降至零. 在假设初始气压为1000\,Pa的基础上,理论分析 得到气泡的最高塌陷速度可以达到5.8\,m/s; 气泡的最小压缩半径可以达 到1.37\,cm, 相应的气泡内极限压强超过$4.5\times10^5$\,Pa, 极限温度超 过3\,150\,K, 而液流能够提供给气泡的能量达到0.02\,J. 理论推导得到的结果 可以比较好地用来解释实验中的现象. 最后分析得到气泡内的初始气 压对气泡所能达到的极端条件有着重要的影响.     

Disengagement of the gas phase in bubble columns

The technique of gas disengagement is popularly used to assess the bubble size distribution in bubble columns. The technique involves the dynamic measurement of dispersion height when the gas supply is stopped. In this paper a mathematical model has been proposed for the process of dynamic gas disengagement. It has been shown that the initial faster disengagement is due to the presence of internal liquid circulation and not due to the presence of very large bubbles. Further, slower disengagement has been attributed to the transition from heterogeneous dispersion to homogeneous dispersion. The new model also explains the effects of superficial gas velocity, column diameter, column height and liquid phase physical properties on the gas disengagement.