空泡溃灭及空化噪声研究综述

本文从理论分析,数值计算,试验研究三方面对国内外空泡溃灭,空化噪声研究的最新进展及动态作了一简单的回顾,针对自己做的水翼及轴对称头体空化噪声试验结果,提出了一些尝试性解释。     

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.      

空化器出水非定常垂直空泡的研究

对空化器朝水面高速运动产生的非定常垂直空泡进行了理论研究. 建立了受水面和重力影响下的水下垂直空泡长度变化数学方程, 从方程中导出了非定常垂直空泡长度计算公式, 利用公式计算了空化器出水后空泡从脱落、收缩到溃灭的时间. 对带空化器的航行体, 公式还可以计算脱落空泡溃灭高压作用在航行体上的位置, 最后给出了避免溃灭高压作用在航行体上的条件和判据.     

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。     

空化可压缩流动空穴溃灭激波特性研究

为深入研究空化可压缩流动中空泡/空泡团溃灭过程中激波产生、传播及其与空穴相互作用规律,本文采用数值模拟方法对空化可压缩流动空穴溃灭激波特性展开了研究.数值计算基于OpenFOAM开源程序,综合考虑蒸汽相和液相的压缩性,通过在原无相变两相可压缩求解器的控制方程中耦合模拟空化汽液相间质量交换的源项,实现了对空化流动的非定常可压缩计算.利用上述考虑汽/液相可压缩性的空化流动求解器,对周期性云状空化流动进行了数值模拟,并重点研究了空穴溃灭激波特性.结果表明:上述数值计算方法可以准确捕捉到空穴非定常演化过程及大尺度脱落空泡云团溃灭激波现象,大尺度脱落空泡云团溃灭过程分为3个阶段:(1) U型空泡团形成; (2) U型空泡团头部溃灭; (3) U型空泡团腿部溃灭.在U 型空泡团腿部溃灭瞬间,观察到激波产生,并向上游和下游传播,向上游传播的激波与空穴相互作用,导致水翼吸力面新生的附着型片状空穴回缩,直至完全溃灭.并且空穴溃灭激波存在回弹现象, 抑制了下一周期的空化发展.      

航行体垂直出水载荷与空泡溃灭机理分析

针对航行体水下垂直发射出水载荷机理问题, 首先开展了典型工况全过程的数值 模拟, 得到了航行 体肩、尾空泡及表面压力的演化过程, 并与试验结果进行了对比验证. 在此基础上揭示了航 行体肩部空泡溃灭的过程和机制, 进而提出了出水溃灭压力的物理模型, 探索了空泡厚度、 水层厚度、声速等重要参数的影响, 讨论了试验溃灭压力相似律等相关问题.     

通气空泡生成和溃灭特性试验研究

为了研究通气流量对超空泡生成和溃灭的影响,在西北工业大学高速水洞实验室进行了系列通气超空泡生成和渍灭特征的试验.结果表明:空泡生成过程中,空泡长度和直径的变化特性与空泡溃灭时的变化特性相反;通气流量对空泡生成和溃灭均有较大影响,数据显示通气量对空泡生成的影响大于对空泡溃灭的影响.此研究为进一步研究超空泡的快速稳定生成提供了实验基础.     

近固壁微米尺度空泡溃灭的数值研究

考虑空泡表面张力、液体黏性和气体可压缩性,采用VOF多相流模型对近固壁微米尺度空泡在静止流场溃灭过程进行了数值研究.获得了近固壁空泡溃灭过程的流场细节,分析了空泡与固壁的无量纲距离γ对空泡溃灭过程动力特性的影响,并揭示了不同γ条件下的固壁空蚀破坏机理.计算结果表明:随着γ的减小,泡心向固壁移动的趋势明显,射流形成前空泡上部高压区内压力减小,空泡溃灭时间延长,最大射流速度减小.模拟结果验证了空泡溃灭将产生冲击波和高速微射流,二者均会在固壁面产生脉冲压力,其是造成壁面损伤的两种主要原因.参数γ对固壁的空蚀破坏机理有重要影响.与微射流机制相比,以冲击波机制为主的空蚀破坏更显著.微射流冲击固壁的作用半径为10μm左右,将引起固壁"点"蚀坑的出现.当γ=2.0时,冲击波扫掠壁面的范围相对较广,有效作用半径约为1 mm,其导致固壁产生较大圆形蚀坑,且中心空蚀严重.     

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.     

含气泡油滴撞击油膜壁面时气泡的变形与破裂

油--气润滑过程中润滑油液滴受高速气流扰动易形成含气泡油滴,微气泡将对油滴撞击壁面时的运动过程以及壁面油膜 层的形成质量产生重要影响. 基于耦合的水平集--体积分数 方法,对含气泡油滴撞击油膜壁面行为进行数值模拟研究, 考察含气泡油滴撞击油膜壁面时气泡的变形运动过程,探讨气泡破裂的动力学机制,分析气泡大小、碰撞速度和液体黏度等因素对含气 泡油滴撞壁过程中气泡变形特征参数的影响规律. 研究表明:含气泡油滴撞击油膜壁面后气泡会发生变形,并破裂形成膜液滴;气泡随同 液滴运动过程中,气泡内外压力和速度梯度变化是使气泡发生破裂的主要诱因. 气泡大小对气泡破裂方式影响较大,气泡较小时发生单 点破裂,而气泡较大时更容易发生多处破裂. 不同大小气泡受力差异较大,气泡大小与破裂发生时刻没有明显相关性. 碰撞速度和液体 黏度对气泡的变形、破裂和破裂发生时刻都具有一定的影响. 碰撞速度越大,油滴动能越大,更容易产生气泡变形和破裂现象. 液体黏 度增大,在油滴撞壁运动前期促进气泡变形,而在运动后期可以阻延气泡破裂行为发生.      

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。     

超声驱动下激励参数对单泡空化振动的影响

根据考虑了液体可压缩性的改进的微气泡动力学方程,采用改进的初始半径对单泡超声空化现象进行了数值计算研究.结果表明,微气泡振动对一些参量很敏感:微气泡振动半径与初始半径的比值随振动频率的增大而减小;提高声场声压会加剧气泡崩塌程度,但过高的声压又不能使微气泡崩塌;微气泡崩塌速率随气泡初始半径的增加而增大,在一定范嘲内能保证空化泡稳定振动,在初始半径为1.6μm处空化程度最强,如果继续增大初始半径则空化程度减弱、甚至消失;微气泡崩塌程度随黏滞系数和表面张力的增大而减弱,过大的黏滞系数和表面张力会使微气泡崩塌难以发生.计算结果与他人的实验数据相比,发现液体的可压缩性使单泡空化强度增强,对最佳空化区域范围的确定有较大的影响.     

MECHANISM ANALYSIS ABOUT CAVITATION COLLAPSE LOAD OF UNDERWATER VEHICLES IN A VERTICAL LAUNCHING PROCESS

航行体出水时空泡溃灭产生的压力脉冲,能够形成决定航行体结构强度的关键载荷,因此对航行体出水的     

基于高速摄影的直角壁面附近柱形空泡动力学行为研究

本文基于高速摄影实验,对直角壁面附近的柱形空泡动力学行为进行了研究。空泡由激光聚焦诱导产生,形成于具有较小间距的两片平行玻璃板之间的液体环境中,从而具有了较为明显的柱形特征。通过改变柱形空泡距离直角壁面顶点的无量纲距离l^*和位置角度θ,分别探究了对称和非对称处柱形空泡的完整溃灭行为及变化趋势,并揭示了柱形空泡与直角壁面的相对位置对柱形空泡泡壁变形、形心移动距离及方向等泡动力学特性的影响。研究发现：在第一周期溃灭过程中,柱形空泡远离直角壁面一侧的泡壁将会出现凹陷,并且逐渐发展直至将柱形空泡分为两部分;当空泡位于对称位置时,随着无量纲距离l^*的逐渐增大,柱形空泡表面凹陷程度逐渐减弱,且空泡在溃灭阶段的形心移动距离逐渐减小;当空泡位于非对称位置时,随着空泡位置角度θ的减小（对θ < 45°的情况而言）,柱形空泡形心的移动方向由指向壁面顶点逐渐变为指向下壁面。

     

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.     

航行体水下发射流固耦合效应分析

对于水下发射过程来说,掌握水动力载荷形成机理与结构响应特征是一个亟待解决的问题.研究该问题需要考虑含相变的复杂多相流动,变约束的结构运动以及这二者之间的耦合效应.本文采用松耦合的方法,以流体求解器为主体,将自编的固体结构程序接入流体求解器中,在每个时间步长内分别对流体动力学方程和固体结构动力学方程进行求解,通过流固界面之间的数据交换实现耦合计算.其中,流体求解器基于雷诺平均纳维斯托克斯方程,采用单流体模型处理多相流问题,引入空化模型描述空化相变,采用修正的湍流模型模拟混合物的湍流效应,并采用动网格技术处理移动边界问题.航行体的刚体运动和结构振动分开求解.结构求解器采用等效梁模型描述结构的振动,通过坐标变换给出了随体坐标系下的结构振动方程,求解方法采用时域积分法.所建立的流固耦合方法不仅能够捕捉到自然空化的演化情况,还可获得航行体所受水动力、结构振动响应以及截面的弯矩,获得了实验的验证.基于该方法研究了结构刚度、发射速度对空泡溃灭与结构振动耦合效应的影响规律.结果表明,同步溃灭是影响结构载荷的主要因素,包括溃灭压力幅值,溃灭压力作用位置,以及溃灭压力与结构振动的相位关系.     

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.