不同温度水体空化水动力脉动特性的试验研究
空化水动力学非定常特性研究进展及展望
关键词 空化, 水动力学, 空泡流, 附着型空化, 空化模型
中图分类号: O352 文献标识码: A
DOI: 10.6052/1000-0992-17-012
收稿日期:2017-05-18; 录用日期: 2018-04-03; 在线出版日期: 2018-05-06 † E-mail: jibin@
力学进展, 2019 年, 第 49 卷 : 201906
空化水动力学非定常特性研究进展及展望
季 斌 1,† 程怀玉 1 黄 彪 2 罗先武科学国家重点实验室, 武汉 430072 2 北京理工大学机械与车辆学院, 北京 100081
3 清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室, 北京 100084 4 中国船舶科学研究中心船舶振动噪声重点实验室, 江苏无锡 214082
按空化的流动特性划分. 按照空化流动性质, 可以将空化分为游移空化、固定空 化、旋涡空化和振荡空化. 游移空化主要由单个小空泡构成, 会随着液体一起向下游 运动, 如 图 1(a) 所示. 在运动的过程中, 往往伴随着扩展、收缩、溃灭等过程. 固定空 化的位置则比较确定, 一般会依附于绕流固体表面. 其长度与当地的压力关系较为紧 密, 压力越小, 长度越大. 旋涡空化主要发生在旋涡内部的强剪切区域, 如螺旋桨的梢 涡. 由于旋涡结构的离心作用, 会在涡心处形成低压区域, 当其压力低于饱和蒸汽压 时, 即会诱发旋涡空化. 这类空化可以发生于任何具有足够强的剪切力使得当地压力
需要注意的是, 由于目前对空化的认识尚不全面, 对其分类也比较混乱, 大体有以 下几种分类方式: 产生空化的原因、空化的流动特性和空化的发展阶段等.
按空化产生的原因划分. 根据空化产生的主要因素, 可以将空化分为水力空化、 振荡性空化、声致空化、光致空化及非相变型空化 (潘森森和彭晓星 2013). 本文前 述的空化定义严格而言指的就是水力空化, 因其在日常生活中最为广泛、流动机理最 为复杂, 一般可以将空化理解为水力空化. 振荡型空化是指由于持续的高频高幅压力 脉动引起的空化, 如柴油机汽缸冷却套管的水中空化; 声致空化指的是由多个声传感 器或声波发生器发出的声束聚焦、形成驻波而激发的空化现象, 如超声空化; 光致空 化与声致空化类似, 是由于激光能量集中而激发的空化现象; 非相变空化本质上并不 是空化现象, 该流动中的气泡长大、缩小主要是由于外界压力的变化导致其内部不可 凝结气体的膨胀、收缩或者由于水中游离气体的扩散溶解. 在气泡的长大缩小过程中, 存在少量的相变过程, 但并不是主导因素, 因此也称为 “伪空化”, 如通气空化等.
中国鱼雷发展简史
中国鱼雷发展简史空化的一般水动力学特性空化现象的发现与研究是从发现螺旋桨的推力在高速下出现严重下降开始的。
一般说来，如果一个水力系统设计在单一液体中运转，由于空泡附加的蒸汽结构首先可解释为机械间隙（通过机械系统分析），它增加了自由度数目。
蒸汽结构经常是不稳定的，至少被流动携带：当他们到达升压区域会剧烈地溃灭。
溃灭类似于机械系统中零件之间的间隙受撞击后消失，可以预料空泡导致如下效果：（1）系统的性能改变，例如减小升力、增加阻力、发动机效率下降，减少溢流道的排泄能力、能量消耗增加等等；（2）固体结构上出现不希望的力与力的分布，造成系统失稳与结构损坏；（3）产生噪声与振动；（4）如果液体和固体壁面之间的相对速度很高，壁面会剥蚀。
一、空化研究分类空化应用研究涉及很多领域与方面，也有不同的分类方法，例如，按空化的影响效果可分为：减振降噪的研究、剥蚀的研究、提高推进效率的研究、减阻技术的研究等；按空化载体可分为：水下航行器空化研究、水力机械空化研究、水利设施空化研究等；还有如管道内部流动空化研究与外部流动空化研究等等。
这里我们把空化的应用研究课题归结为两大类：第一类是防止与延缓空化现象的发生，避免或降低空化现象产生的不良后果的研究；第二类是利用空化的某些特性，或制造空化，或改造与控制不可避免的空化，或直接利用既定的空化，获得有利效果的研究。
二、防止与延缓空化发生的研究空化现象的后果第一眼看去都是有害的，必须避免。
事实上，长期以来防止与延缓空化发生的研究一直是空化现象研究的主题。
在很多情况下，无空化条件是设计者所面对的所有条件中最严峻的条件。
就实际应用中的大多数情况来说，防止与延缓空化发生的基本原理或途径是，控制工作状态下物体沾湿表面的最低压力，使其大于液体的蒸汽压力。
运用的基本手段是，通过物体沾湿表面的几何形状设计，以减小扰动、降低局部流速，达到减小压力峰值的目的。
例如，无空化雷头线型设计与无空化翼型设计。
《基于OpenFOAM对挑流水气两相流模型试验水动力特性的数值研究》范文
《基于OpenFOAM对挑流水气两相流模型试验水动力特性的数值研究》篇一一、引言随着计算流体动力学（CFD）技术的快速发展，数值模拟已成为研究水动力特性的重要手段。
OpenFOAM作为一种开源的CFD软件包，在处理复杂流体流动问题，尤其是两相流模型试验的水动力特性模拟方面，展现出强大的能力。
本文旨在基于OpenFOAM对挑流水气两相流模型的水动力特性进行数值研究，分析流动过程及现象，并为类似的两相流模拟提供理论支持和实验依据。
二、背景及研究意义在水利工程、环境科学、海洋工程等领域中，挑流水气两相流模型试验是研究水动力特性的重要手段。
然而，传统的实验方法往往受到实验条件、设备精度等因素的限制，难以全面、准确地描述复杂的流动过程和现象。
因此，基于数值模拟的方法显得尤为重要。
OpenFOAM作为一款强大的CFD软件包，可以有效地模拟挑流水气两相流的流动过程，揭示水动力特性的本质。
三、研究方法本研究采用OpenFOAM软件包进行数值模拟。
首先，根据挑流水气两相流的特点，建立合适的物理模型和数学模型。
其次，通过OpenFOAM的求解器进行数值计算，包括网格生成、边界条件设定、物理参数设置等步骤。
最后，对计算结果进行后处理和分析，得出水动力特性的相关结论。
四、数值模拟结果与分析1. 流动过程分析通过OpenFOAM的数值模拟，我们可以清晰地看到挑流水气两相流的流动过程。
在流动过程中，气体和液体相互影响，形成复杂的气液界面。
随着水流的速度和方向的变化，气液界面的形态也随之发生变化。
这些变化对水动力特性有着重要的影响。
2. 水动力特性分析在数值模拟中，我们关注了挑流水气两相流的水动力特性，如流速分布、压力分布、涡旋等。
通过分析这些特性，我们可以得出挑流水气两相流的流动规律和特点。
例如，流速分布的不均匀性会导致局部压力的变化，进而影响整个流动过程。
涡旋的存在则会对流场的稳定性产生影响。
五、结论与讨论本研究基于OpenFOAM对挑流水气两相流模型试验的水动力特性进行了数值研究。
不同空化器对水下射弹动态减阻特性影响分析
不同空化器对水下射弹动态减阻特性影响分析李强;黄岚;张学伟【摘要】For the purpose of studying the influence of the shape of the cavitation on the drag reduc-tion characteristics of underwater high speed projectile, based on the Rayleigh-Plesset single medium variable density multiphase flow model and 6DOF dynamic mesh technique,an analysis was conducted of the underwater dynamic motion of the projectile with different cavitation. In this paper, analyzed were the characteristics of drag reduction and cavitation number of supercavitating projectiles with dif-ferent cavitation in the two cases of cavitation and being wet down. The results show that the perfor-mance of drag reduction is the best when the diameter of disc cavitation is 0.5 mm,When the cone an-gle is 60°,the average drag reduction rate is the best;compared with the two kinds of cavitation device structure of projectile,within a certain range, the disc cavitation is more suitable for the underwater small caliber projectile. The results of this study provide a certain referential value for the analysis of dynamic drag reduction characteristics of underwater high speed projectiles,and reveal a certain direc-tion for the optimization of the cavitation device.%为了研究水下高速射弹在运动过程中空化器形状对减阻特性的影响,基于Rayleigh-Plesset单一介质可变密度混合多相流模型、6DOF动网格技术,对带不同空化器射弹的水下动态运动进行了分析研究.分析了不同空化器的超空泡射弹在空化和全沾湿两种情况下减阻特性和空化数变化.结果表明圆盘空化器直径为0.5 mm的减阻性能最佳,而圆锥空化器圆锥角为60°的射弹平均减阻率最佳;对比两种空化器结构的射弹,在一定的范围内,圆盘空化器更适用于水下小口径高速射弹.本研究结果对水下高速射弹动态减阻特性分析具有一定的参考价值,并为空化器的优化提供了一定的指导方向.【期刊名称】《火炮发射与控制学报》【年(卷),期】2018(039)001【总页数】5页(P1-5)【关键词】流体力学;超空泡射弹;动态减阻特性;动网格【作者】李强;黄岚;张学伟【作者单位】中北大学机电工程学院,山西太原 030051;中北大学机电工程学院,山西太原 030051;中国兵器工业208所,北京 102202【正文语种】中文【中图分类】TJ411.+7超空泡理论是在研究危害水轮机械的空化现象中产生的一种新的理论。
水力机械空化(汽蚀)监测研究综述
关键 词 ： 水 力机械
空化（ 汽蚀 ） 测 监研究 Nhomakorabea的溃灭 ，会产生高频脉冲波，辐射空化噪声 ，引起
介质压力波动 ， 并诱发机械结构振动。空化信号的
监测就是测量空泡溃灭时产生的高频脉冲波 、微射
空化噪声研究中，寻求新的标识量或相似准则乃是
今 后 的重要 课题 。 Ｌｈｂｒ ． 人 对 离 心 泵 中 的 空 化 进 行 了测 ｏｒｅｇＨ等 量，研究 了空化破坏程度与空化噪声的关系。由于
・
２・
小 器 柱 采
２０ 年第５ ０８ 期
用声 传感器直接检 测空化诱导 的结构噪声 ，该 噪
系数的关系曲线确定 临界空化 系数 。与传统 的能 量法相 比， 采用超声波方法能及早发现空化， 是一种
比较 灵敏 和准 确 的监 测 方 法 ， 于 确 定 空 化初 生点 适 和 空化 的相对 强 度 。 Ｚ ｑｆＢ等 开发 了一种 用 于 检测 声 发 射 的新 型 ｅｉ ｉ
２０ 年第５ ０８ 期
小 番彳 支采
水力 机械空化 （ 汽蚀 ） 监测研 究综述
段 向阳 王永 生 苏永 生
（ 海军工程大学船舶与动力学院，武汉 ；４０ ３） ３０ ３
摘要 ：本文叙 述空 化（ 汽蚀 ） 的原理 ， 监测 从空化 （ ） 汽蚀 监测方法 的选择 、 监测位置 的选取和信号分析处理三个方面 ，
感应部件采用 了厚度仅为 １０ ｍ 的压 电式活性薄 １ 膜 ，可 以探测 到 １ Ｈ 以上 的声 信号 。此 外 ， ０Ｍ ｚ 在传感器 的外表面涂覆了一层汽蚀 防护涂层 ，有 效地消 除了周 围噪声的干扰 ，使得该传感器具有 空 间检测空化声信号 的能力［１ １４ ３］ ．。 目前 ，国外 比较 成熟 的空 化 监 测 方 法 有 基 于
空化特性研究进展_管金发
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水利技术
空化特性研究进展
管金发 邓松圣 张攀锋 华卫星
（ 后勤工程学院军事供油工程系，重庆 401331）
摘 要 空化是液体特有的一种复杂流体动力学现象。从空泡运动方程、理论分析、空化实验、多空泡研究等方面简要介绍
了空化特性的国内外研究现状。空泡群的研究将使空化研究更接近于工程实际，空泡群空化规律的深入研究是下一步努力
第 11 卷 第 27 期 2011 年 9 月 1671 — 1815 （ 2011 ） 27 -6674 -07
科学技术与工程
Science Technology and Engineering
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综述
Vol. 11 No. 27 Sep． 2011 2011 Sci. Tech. Engrg.
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R
+
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+
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[ ( ) ( ) 1
ρ0
P∞ － Pv －
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－ Pv
+ 2σ R0
R0 R
3γ
+ 4μ
R R
+
]2σ = 0。当考虑液体可压缩性时［17］，Gilmore 引入
R
柯克伍德-贝 蒂 假 设［18］，即 压 强 扰 动 传 播 的 速 度 等
于音速和 液 体 局 部 速 度 之 和，得 出 空 泡 运 动 方 程：
气量、表面 张 力 和 压 缩 性 等 因 素 对 空 泡 运 动 的 影
响，用其进行计算分析得到的某些结果与实际情况
不相符合，比 如 空 泡 收 缩 到 最 小 半 径 时，泡 表 面 的
我国水轮机空蚀与空化研究现状
我国水轮机空蚀与空化研究现状水力机械中的空化空蚀一直是困扰流体机械发展的首要问题之一。
在水利水电工程中,空化空蚀一直作为一个重要的问题被进行研究。
这些问题主要包括空泡溃灭的形式、空蚀的性质,空化与空蚀的相关性、空化与其噪声的相关性、空化噪声与水力参数的关系、临界空化的噪声判断、空化改善状况的噪声判别,空化比尺效应的种种影响,如雷诺数Re、脉动压力p’、水中含气量和气核尺寸、水体的抗拉强度和表面粗糙度，空化声学量测的一些条件,空蚀评价的指标等等。
我国通过对空化产生的这些机理进行了广泛深入的研究，清楚地了解了空化发生的条件及产生的结果。
并对如何在工程实际中监测空化现象的发生及判断其严重程度，至今仍在不断地探索中。
在这漫长的过程中，我国最近所取得的成就很多，也很广。
不但在空蚀与空化的产生条件、水轮机转轮空蚀量预估上做出研究，并取得了很好的成果，还在解决空蚀空化上也做出大量的努力，花巨资去研究如何可以监测与分析。
比如，水口水轮机空化空蚀、水力稳定性及主要部件应力状态研究，工质为浑水时水泵与水轮机的空化与空蚀研究，水轮机空化空蚀破坏的在线监测方法及诊断装置，根据空化引起的水轮机振动来预测空蚀破坏软件，基于LabVIEW的便携式水轮机空蚀监测，动态离子束混合对水轮机材料空蚀改性的研究，大型水轮机空化在线监测与分析——方法及应用研究，水轮机空化空蚀分析软件设计等等。
———————————————————————————————————————————————空化在微观方面的理论大多立足于空泡动力学对空泡的发展变化进行分析。
Arrojo研究了水力空化中单个空泡产生、发展和溃灭的全过程。
分析结果发现，在空泡运动过程中，化学稀疏和压力恢复过程的时间尺度起着关键作用，特别是发展阶段，较大的化学稀疏时间促进了空泡的发展。
何国庚从空泡动力学出发，借助非平衡态动力学理论，建立了有相变化时球形气核与围流液体之间能量流和物质流的方程式，并结合自由气核发育的动力学方程和自由气核的热力学方程，提出了判断满足空化初生条件的标准。
结霜工况下空气源热泵动态特性的数值模拟与实验验证
第40卷第5期2006年5月西安交通大学学报JOURNAL OF XI′AN JIA OTONG UNIVERSITYVol.40№5May2006结霜工况下空气源热泵动态特性的数值模拟与实验验证郭宪民1,2,王成生2,汪伟华2,陈纯正1(1.西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安;2.天津商学院制冷与空调工程系,300134,天津)摘要:对结霜工况下空气源热泵的动态特性进行了数值模拟,并在室外环境空气温度及相对湿度分别为-15～3℃和50%～90%范围内对一台空气源热泵空调器的动态性能进行了实验研究,测量了不同结霜工况条件下热泵空调器的动态性能参数、室外换热器结霜量及壁面温度分布.在此基础上分析了进风温、湿度对空气源热泵空调器性能的影响.实验结果表明:在室外换热器表面结霜的初始阶段,热泵系统的制热量及性能系数均有所提高,但在结霜的后期,热泵性能迅速衰减,与数值预测结果一致;对于相对湿度不同的进口空气,其温度为0～3℃时室外换热器表面结霜速度最快,在此温度范围内结霜对热泵性能影响最大.关键词:空气源热泵;结霜工况;动态特性中图分类号:TB65文献标识码:A文章编号:0253?987X(2006)05?0544?05N u m eri c al S im ulation a n d E xp erim e ntal Ve rifi c a tio n o n Dy n a mi c P erform a n c e of Air S ourc e He at Pump under Fro s ting Condition sG uo X ianmin1,2,Wang Chen gsheng2,W ang W eihua2,Chen Chunzheng1(1.S ch ool o f Energy and Pow er Engineering,Xi′an Jiaotong University,X i′an710049,C hina;2.Department of Refrigeration&A ir C onditioning Engineering,Tianjin University of C ommerce,Tianjin g300134,China)Ab stra ct:R egarding the frost a ccumulati on on the outdo or co ils as a quasi-dynamic proc ess,the d ynamic performances of an air source heat pump(ASHP)syste m under frosting co nditions were simulated.A series of experiments on the d yna mic performance of the ASHP unit under frosting con ditio ns were c onducted to verify the present simulatio n model.The experimental outdoor air temperature ranged from-15℃to7℃,and the relative humidity from50%to90%.The dy-na mic performanc e parameters of the ASHP s yste m under frostin g conditions,the frost mass a c-cumulation on the outdo or coils,and the wall te mperature distributi on along the he at exchange tubes were measured.B ased on the experim ental results,the effe cts of the outdoor air te mpera-ture and the relative humidity on the perform anc e of ASHP unit were analyz ed.The experimental results indicate that the he ating c apacity and coefficient of performanc e of the ASHP unit increase in the initial frosting stage and de crease rapidly in the later frosting stage.These experim ental re-sults are in go od agre em ent with the correspo nding simulation ones.In addition,it is found that the frost formation rate is greatest w hen the outdoor air temperature is about0?3℃at different outd oor air relative humidities.Ke yw ord s:ir source heat pump;frosting co nditi on;d ynamic characteristics收稿日期:2005?09?29. 作者简介:郭宪民(1962～),男,教授.符号表Q热流量,Wd a含湿量,kg/kg m质量流量,kg/s θ温度,℃M质量,kg τ时间,sφ相对湿度P功率,W下标fr霜层a空气r制冷剂c冷凝e蒸发1、2进、出口空气源热泵空调器在冬季某些气象条件下室外换热器表面会产生结霜现象,霜层增加了导热热阻,同时堵塞翅片通道引起风机风量下降,导致热泵性能下降,严重时会导致热泵不能正常工作.因此,研究室外换热器结霜对热泵空调器性能的影响是解决热泵空调器稳定高效工作的关键问题.国内外学者对换热器表面结霜规律及其对换热性能的影响进行了大量的数值模拟及实验研究,但实验或计算大多是在假定结霜过程中制冷剂温度和空气流量不变的条件下进行的,只有文献[1?3]在其模型中考虑了结霜引起的风机流量下降.有关结霜工况下空气源热泵机组整体性能的研究资料非常有限[4?9].对于使用风机驱动的空气源热泵空调器室外换热器来说,这种常风量的假定是不合理的.同时,空气源热泵空调器室外换热器表面结霜会引起热泵系统循环参数(如冷凝压力、蒸发压力)发生变化,这又反过来影响换热器的结霜性能.因此,必须把结霜过程与热泵系统的工作过程作为一个整体来考虑.1动态性能数值模拟热泵系统是由蒸发器、冷凝器、毛细管、压缩机和高压储液器等几个部分组成,为了模拟结霜工况下整个热泵系统的动态性能,分别对系统各个部件建立了数学模型.由于压缩机属于压力调节部件,其时间常数小,因此本文采用参数拟合法建立压缩机的制冷量、质量流量及耗功与蒸发温度和冷凝温度的关系式.毛细管采用均相流模型,并考虑了“闪点延迟”和“壅塞流”现象的影响.冷凝器、蒸发器采用分布参数模型,在两相区中采用分相流模型,将气、液相看作各自分开的流动,每相有其独立的流动特性参数,并分别对每一相流动建立各自的控制方程[8,9].在结霜工况下,考虑了霜层对导热热阻、肋片效率及风机风量的影响.数值计算的思想是将结霜过程分为时间微段,在每个时间微段内认为系统是处于稳态工况,霜层在上个时刻的稳态模拟结果作为下一个时刻的入口参数,这样逐个时段进行稳态模拟.各个时段稳态模拟的数值计算方法则是将压缩机、冷凝器、蒸发器和毛细管通过质量、能量的耦合关系联立起来求解.先假设系统的冷凝压力和蒸发压力,由此计算出压缩机的质量流量以及其出口参数,然后将其作为冷凝器的入口参数进行数值计算,将计算出的冷凝器出口参数作为毛细管的入口参数,再计算毛细管的质量流量并与压缩机的质量流量相比较,对冷凝压力进行修正.满足精度要求后进行蒸发器的数值计算,然后以蒸发器的出口参数计算压缩机的质量流量,修正蒸发压力直到收敛.2实验介绍2.1实验样机参数热泵样机为某公司生产的TS D50C RA型风冷管道机组,其额定制冷量为12.1kW;节流元件为毛细管,内径为2.96m m,管长为700mm.涡旋压缩机的制冷量、耗功率及制冷剂质量流量可分别拟合成Q e=-0.15θ2c-118.57θc+6.2214θ2e+621.43θe-3.44θcθe+17722(1) P=0.92917θ2c-7.0798θc-0.16905θ2e+3.3143θe+0.098571θcθe+2256(2) m r=-7.5e-7θ2c-1.0879e-4θc+3.4286e-5θ2e+2.6255e-3θe+3.5143e-6θcθe+0.082624(3)室外换热器管排数为2,分8路供液,室内换热器管排数为4,分6路供液,图1所示分别为室外换热器和室内换热器中的一路管排布置示意图,换热器结构参数和模拟工况参数如表1所示.2.2实验装置实验在焓差法空调器实验室内进行,实验系统如图2所示.焓差室内外侧环境温、湿度由计算机控制,热泵系统循环参数及室外换热器进出口温度、湿度、风速及换热器壁面温度采用计算机数据采集和处理.2.2.1结霜量测量结霜量是通过测量换热器空545第5期郭宪民,等:结霜工况下空气源热泵动态特性的数值模拟与实验验证表1 热泵空调器的换热器参数换热器管径/m m 肋厚/m m 肋间距/m m 管间距/m m 室内9.520.15 1.9525.4室外9.520.15 1.9525.4换热器单根管长/m m 管排数管列数迎面风速/m ·s -1室内572184 2.10室外9204821.65图1 室内、外换热器结构示意图1:空气处理机组;2:取样装置;3:蒸发器;4:毛细管;5:压缩机;6:稳压室;7:调频风机;8:喷嘴;9:冷凝器;p :压力;T :温度;φ:相对湿度图2 热泵测量系统示意图气的流量及进出口含湿量来间接测量的:在室外换热器进口均匀布置了12个风速传感器和12个温、湿度传感器,用以测量其进口空气的平均速度、干球温度及相对湿度;在出风口布置了4个温、湿度传感器,用以测量室外换热器出口空气的干球温度及相对湿度;由测量到的进口平均速度、进出口平均干球温度及相对湿度,可计算出通过室外换热器的空气流量、密度及进出口含湿量.Δτ时段内室外换热器的结霜量可表示为ΔM fr =m a ,e Δτ(1+d e ,1)(d e ,1-d e ,2)(kg )(4)温度变送器精度为±0.2℃,湿度变送器精度为±2%,速度传感器精度为±0.5%,压力传感器精度为±0.25%.2.2.2 换热器壁温测量 换热器壁温采用敷设在换热器管端弯头上的铜?康铜热电偶进行测量,所有热电偶均在恒温浴槽中经过标定.室外换热器被分液头分成8路,本文只测量了中间的2路.2.3 实验工况说明室外换热器入口空气温度θ的变化范围为-15～3℃,入口空气的相对湿度变化范围为50%～90%,共24个实验工况.实验中发现,在某些条件下室外换热器不发生结霜现象,如表2所示.所有实验工况室内侧环境温度均控制在20℃.表2 室外换热器实验工况条件θ/℃φ/%506580903不结霜A B C 0不结霜D E F -3不结霜G H I -7不结霜J K L -10不结霜M N O -15不结霜不结霜PQ注:A ～Q 为各种结霜工况.对每一个实验工况,首先将焓差室内外侧环境干、湿球温度调节到所需数值并控制在稳定状态,开启被试机组,待工况稳定后每隔5m in 记录一次各实验数据.控制稳态工况的主要指标为:焓差室内外侧环境干、湿球温度波动小于0.2℃;被试机室内换热器出口压力波动小于3Pa .3 实验结果与讨论3.1 动态性能实验验证与讨论将结霜工况B 的数值计算结果与实验结果进行比较,如图3～图6所示.实验结果表明,在换热管外及肋片表面形成霜层的初始阶段,结霜不但对热泵空调器的性能没有产生不良影响,而且提高了其工作性能.从图3可以清楚地看到,在前20min 内制热量Q 随结霜时间的增加而增大,最大增加了约5.67%,之后开始匀速衰减,在运行50m in 后制热量衰减速度开始加快,在结霜循环的最后阶段(约占总结霜时间的20%),制热量衰减速度增加到匀速衰减段衰减速度的2.6645西 安 交 通 大 学 学 报 第40卷图3 制热量随结霜时间的变化图4 蒸发压力、冷凝压力随结霜时间的变化图5 室外换热器进口壁温随结霜时间的变化～８倍,性能系数随时间的变化趋势与制热量变化趋势相同.产生这种现象的原因主要为:在结霜的初期霜层较薄,引起的导热热阻增加不大,其影响属于次要因素,而霜在换热表面的沉积使其形成粗糙面,增加了气流扰动,从而使对流换热系数增大;同时,对流换热系数的增大使翅片效率增大.2种因素共同作用的结果是增强了室外换热器的传热效果,使热泵空调器的制热量、蒸发压力及室外换热器的壁温均增大.随着霜层不断增厚,霜层形成的导热热阻不断增加,室外换热器传热性能逐渐降低,热泵空调器的制热量、蒸发压力及室外换热器壁温随之呈下降趋势(见图4、图5).在运行约50min 后,换热器表面已沉积了较厚的霜层,霜层形成的导热热阻使得蒸发温度和蒸发器表面温度明显下降(见图4、图5),蒸发温度的降低加速了霜的沉积.另一方面,由于霜层此时已占据了肋片通道的1/2以上,导致风机流量迅速下降(见图6),此时风量下降了约30%,这大大恶化了传热效果.2种因素的相互影响,形成恶性循环,造成热泵性能迅速降低(见图3).将数值计算结果与实验结果进行对比可以看出,二者的变化趋势是一致的:图7所示的结霜量随时间的变化规律的实验结果与数值计算结果基本一致,蒸发压力、冷凝压力(见图4)的数值计算结果与实验结果在50min 前比较一致,而在50min 后出现较大偏差;制热量随时间变化(见图3)的数值计算结果与实验结果相差较大,在65min 前,数值计算结果偏小,而在65min 之后数值计算结果偏大;室外换热器壁面温度随时间变化的数值计算结果与实验结果趋势是一致的,但数值计算结果高于实验值.3.2 室外空气湿度对热泵性能的影响图8给出了室外换热器进风温度为3℃时,不同相对湿度条件下热泵系统制热量随结霜时间变化图6 室外换热器迎面风速随结霜时间的变化图7 结霜量随结霜时间的变化的实验曲线,实验发现性能系数与制热量的变化趋势是相同的,限于篇幅本文未给出性能系数随结霜时间变化的实验曲线.从图8可以看出:对于结霜工况A 、B 及C (即φ=65%,80%,90%时),在结霜初期,热泵系统制热量提高的幅度随相对湿度的增大而增加;在结霜循环后期,对于相对湿度较高的工况B 及C ,性能衰减的速度很快,而对于相对湿度较低的工况A ,性能衰减的速度则相对较慢.从图8中还可以看出:热泵系统稳定工作周期随相对湿度的增大而减小,工况C 的稳定工作周期只有工况A 的45%左右.产生这些现象的原因是因为相对湿度对结霜速度的影响,如图9所示,工况A 的结霜量只有工况C 结霜量的40%左右,因此结霜对换热器风量的影响要小得多.图8 进风相对湿度对制热量的影响图9 进风相对湿度对结霜量的影响3.3 室外空气温度对蒸发器结霜的影响将各种工况下热泵系统动态制热量按热泵系统完成一个制热、除霜循环所需的总时间进行平均,结745 第5期 郭宪民,等:结霜工况下空气源热泵动态特性的数值模拟与实验验证果如图10所示.图中φ=50%的曲线为不结霜工况,其平均制热量随室外换热器进风温度的升高而线性增长,而结霜工况(B 、C 及D )下热泵平均制热量随室外换热器进风温度的变化曲线在θa ,1=0℃附近出现了拐点,对于φ=65%的工况,θa ,1=0℃时的平均制热量甚至低于θa ,1=-3℃时的平均制热量.产生这种现象的原因是对于不同的进风相对湿度,当进风温度在0℃左右时结霜速度最快.图11为不同相对湿度的各工况运行30m in 后结霜量及φ=80%工况条件下的数值计算结果,可以看出,实验值在不同相对湿度工况条件下进风温度均在0℃附近结霜速度最快,结霜最严重,而数值计算结果显示在φ=80%工况条件下进风温度在3℃附近结霜速度最快.我们把室外换热器结霜最快的温度范围称为严重结霜温区.图10 平均制热量随进风温度的变化图11 运行30mi n 后不同进风温度下结霜量比较出现严重结霜温区的原因主要为:由于进风温度在此温度范围内时空气含湿量较大,同时壁面温度也较低,最适合霜的生长;进风温度低于此温度范围时,虽然壁面温度更低,但空气含湿量却比较小,因此结霜速度较小;当进风温度高于此温度范围时,虽然空气含湿量较大,但壁面温度较高,因此也不易结霜.4 结 论(1)数值计算结果与实验结果基本相符,从而验证了作者预测的结霜工况下空气源热泵动态性能的数值模型及计算方法是可行的.(2)实验结果均表明:在霜刚开始形成时,非但对热泵系统性能不产生负面作用,反而增大了换热量,对系统的工作是有利的.从总体来看,霜的沉积在大部分结霜运行时间(约占总结霜时间的80%)内对系统的影响不是很大,当霜层厚度达到一定程度时,制热量、蒸发温度、翅片温度、空气流速等参数的变化速度较大,整机性能迅速衰减.这验证了数值模拟得到的结论.(3)通过对数值计算结果和实验结果进行分析,讨论了进风温、湿度对室外换热器结霜的影响,发现对应于一定的室外环境相对湿度,室外换热器存在一个严重结霜温区,当室外环境温度在此温度范围内时,结霜最严重,对热泵性能的影响最大.对于不同的室外环境相对湿度工况,严重结霜温区均为0～3℃,而对不同的室外环境温度,相对湿度越大结霜越严重.参考文献:[1]gawa K ,Tanaka N ,Takeshita M .Performance im -pro vement of plat fin -an d -tu be heat exchan gers u nder frostin g con ditio ns [J ].A SHRAE Trans ,1993,99(1):762?771.[2] Y ao Y ,Jiang Y Q ,Den g S M ,A stu dy on the per -formance of the airside he at exchan ger un der frostin g in a air sourc e heat pu mp water he ater /chiller unit [J ].Int J of He at an d Mass Transfer ,2004,47(17?18):3745?3756.[3] C hen H ,Tho mas L ,Besant R W .Fan supplied he atexchanger fin performance un der frostin g co nditi ons [J ].Int J Refrig ,2003,26(1):140?149.[4] Y asuda H ,S enshu T ,Kuroda S ,et al .Heat pu m pperform anc e un der frosting con ditio ns :sim ulatio n of heat pu m p cy cle characteristics u nder frosting co ndi -ti ons [J ].ASHRAE Trans ,1990,96(1):330?336.[5] 黄 虎,束鹏程,李志浩.风冷热泵冷热水机组结霜工况下工作过程动态仿真及实验验证[J ].流体机械,1998,3(26):43?47.[6] 黄 虎,李志浩,虞维平.风冷热泵冷热水机组除霜过程仿真[J ].东南大学学报(自然科学版),2001,1(31):52?56.[7] 姬长发,黄 东,袁秀玲.风冷热泵冷热水机组结霜与除霜性能的实验研究[J ].西安交通大学学报,2004,5(39):480?484.[8] 王 芳.热泵空调器结霜工况下工作过程的动态仿真[D ].南京:南京航空航天大学人居与环境工程系,2001.[9] 王成生.热泵空调器结霜工况下动态特性的理论与实验研究[D ].天津:天津商学院制冷与空调系,2005.(编辑 王焕雪)845西 安 交 通 大 学 学 报 第40卷。
低温流体节流空化现象的形成与发展规律研究
文章编号：CAR250低温流体节流空化现象的形成与发展规律研究段欣悦 厉彦忠（西安交通大学能动学院，西安7100490）摘 要 本文将RNG 湍流模型与完全空化模型相结合，对孔板节流导致的低温流体的空化流动进行数值模拟，得出了流场中的含气率与压力分布的变化规律。
研究发现：由于孔板节流作用使得流场中最低压力出现在孔板喉部，空化初生点在此位置出现；在低温空化流动中，泡状空化、云状空化、超空化三种空化形态相继出现。
此外，分析了空化初生点的压力以及含气率的变化规律，得出了三种空化形态的气相组成；分析了三种空化形态的初生标志，对临界空化状态进行界定。
关键词泡状空化云状空化超空化数值研究低温孔板流量计INCEPTION AND GROWTH OF CAVITY IN THROTTLING FLOW FORCRYOGENIC FLUIDDuan Xinyue Li Yanzhong(School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)Abstract The inception and growth of cavity in cavitating flow of cryogenic fluid induced by orifice throttling was presented in this paper. The simulation was implemented by the full cavitation model and the RNG turbulence model and the reliability of these models were validated by the contrast of pressure drops between simulation and experiment. The vapor fraction and pressure distribution in cavitation region were examined and the compution results indicated that the cavitation inception spot appears in the wall of orifice sharp corner due to its lowest pressure in the whole passage, and the bubble cavitation, cloud cavitation and supercavitation consecutively occurred with the gradual enhancement of cavitation of cryogenic fluid. Moreover, the flow characteristics of the three stages of cavitation was studied by introducing the concept of gaseous cavitation and vaporous cavitation, and the signs of regime transition of the inception cavitation and choking cavitation were given, which provide sound foundation for further research. Keywords Bubble cavitation Cloud cavitation Supercavitation Cryogenic fluid Orifice throttling1 引言在水动力学研究领域，空化普遍出现在核动力系统、液化天然气储藏与输运系统、低温热交换器、液体火箭发动机等工程领域。
河海大学2016年研究生培养创新工程项目申报校内评审
河海大学2016年度“研究生培养创新工程项目”申报校
内评审结果公示
各学院：
根据《关于开展2016年度“江苏省研究生培养创新工程”项目申报工作的通知》（苏教办研〔2016〕1号）以及《关于组织申报2016年度“江苏省研究生培养创新工程”项目的通知》（河海研〔2016〕21号）文件精神，学校组织有关专家对各学院申报项目进行评审，现将评审结果公示。
各学院或个人如对评审结果有异议，请与6月7日中午12：00之前以书面材料反映至研究生院综合办公室，联系人：潘云涛，联系电话：83786323。
附件：
2016年河海大学拟报江苏省普通高校学术学位研究生
创新计划名单公示
2016年河海大学拟报江苏省普通高校专业学位研究生
创新计划名单公示
拟推荐江苏省优秀研究生课程
拟推荐江苏省优秀研究生工作站
拟合作2016年度江苏省研究生工作站
拟推荐江苏省研究生教育教学改革研究与实践课题
拟推荐江苏省研究生创新与学术交流中心特色活动项目及长三角合作项目。
水工(专题)模型试验规程[SL156～165-95]条文说明
![水工(专题)模型试验规程[SL156～165-95]条文说明](https://img.taocdn.com/s3/m/135df9f51eb91a37f1115cbc.png)
2中华人民共和国行业标准水工模型试验规程条文说明目次水流空化模型试验规程掺气减蚀模型试验规程水工建筑物水流压力脉动和流激振动模型试验规程闸门水力模型试验规程热力模型试验规程航道水力模型试验规程船闸水力模型试验规程水电站有压引水系统模型试验规程施工导流模型试验规程施工截流模型试验规程溃坝模型试验规程滑坡涌浪模型试验规程水流空化模型试规程总则水流空化模型试验规程主要是针对在减压箱进局部模型高压箱或其他专用消能工水流空化特性试叶片和特种绕流体等的水流空化特性试验未涉及到与材料性能有关相似准则即说明各主要水力要素仍然符长度比尺流速比尺流量比尺时间比尺糙率比尺要求模即式中原型的大气压力原型水柱压力原型汽化压力模型应指明计算模型得出试验时减压箱为了寻求初生空化及探索空化变化的规律亦应考虑水质对水流空化的影试验设备与量测仪器必检定单位对设备的实际功能能否满足监测项目的测试要求检定周期一般为规格必须满足设备的技术要求具有经过国家或行业检定的合格量测仪器凡已成为商品出售的量测仪器均必单位自制或兄弟单位必须通过率定具有合格测量使用的一次仪表率定周期一般必须有经过国家或检定周期一般模型设计即使模型满足但当模型比尺选得过小因此在模型设计时尽可能应使其重点研究部位的水流流态满足雷诺数大于否则宜将重点研究部位置于循环水洞或高包括两层含意二是要求模型过流面材料糙率与原型相似过流面的糙率对高速水流边界层的发展和流态模型制作与安装总的来说减压模型试验的模型制作与安装与常但当模型置于减压与加压合一的设备中分别进行减压条件和加压条件试验时制作和安装方面试验内容与方法水中含气量随着变化但严格控制和测量应通过水使水流含气量达到最少再进行正水流空化试验如分但应以观测危害性较大采用超声波空穴对空化现象作出综资料整理与分析主要例如相应于工程设计和因为这种运行条件是否产以及其空化特征和演变情况应为报告编写重点是指在循环水洞或高压箱中进行局部模型试验情况一般在水洞或高压箱的模型水流多是二维因此对所提的水力参数同空化源对此应作出追踪性关于水流空化模型试验的缩尺影响尚无成熟的校正方原当工程泄水建筑物的水流只有在工程的水流空化数小于模型测得的初生空化数则必须探掺气减蚀模型试验规程总则掺气减蚀模型试验规程主要是针对高水头溢洪明流泄洪洞等明渠高速水流掺气减蚀设施选型的模本规程适用于常压和减压条件下的模型试验但当进行减压还应遵循的相似准则即表明各主要水力要素仍然符长度比尺流速比尺流量比尺时间比尺糙率比尺强调模型掺气坎处的水流速度大于主要是但对通气量提出具根据考虑校正缩尺影试验设备与量测仪器所提出的专用试验设备并出具检定结果证检定周期一般为规格必须满足设备的技术要求自制的测车等控制设备量测仪器凡已成为商品出售的量测仪器均必单位自制或兄弟单位具有合格证书或相应的测量使用的一次二次和数据采集系统的仪表检定周期一般模型设计外对泄水建筑物过流面掺气减蚀设施的水力学模型试验的经验均认为当按佛劳德相似准则设计应使模型的水流速度大于需考将包括掺气坎置于对掺气坎其目的是为了以满足本规程其理由同的条文说是将掺气坎选型进行常压与减压条件下的对比试验重点是探明掺气坎用以提高掺气坎模型制作与安装制作与安装应注意事项提出一些要求主要目的是为了提高试验测试数据的精度试验内容与方法对同一工有条件时宜选掺气坎射流空腔对工程生产试验任务为掺气坎的选型和作坎下游掺气保护长度的分析论证宜重点测量坎通气管内的风速倘测流速分布有困难时如只测断面中间点根据原型观测资料的整理分析其经验总结认为则应将实测流速值乘系数来估算圆资料整理与分析但采用掺气坎其防蚀效果是为人们所公认的致于规程所指的资料整理主要是作为掺气坎体型优化及通气顺畅而足量为单宽通气量的掺气坎当作为收集与等其他能较科学地式中坎上平均水深报告编写主要是应用模型实测资料阐明和论证掺气坎通气和掺气效果目的是达到掺气坎特别是当模型比尺未满足条要求时对模型通气量引伸到以便原型合理选择通气管面积型通气管的风速应小于见是指当掺气坎还宜对防蚀的辅助措施水工建筑物水流压力脉动和流激振动模型试验规程总则必要性是作为统一本行业的水流压力脉动和结构物流激振动模型试验研究概括起来有以下内容和项目堆石坝溢流面板和过水围堰面板水流压水跃消力塘底板水流压力脉动特殊消能工边壁水流压力脉动拱坝泄洪消能与坝体流激振动引水管道振动特别是结构物流激振动的模拟试验还不能对所有结构物的有些以强迫振动为主的项目配合数学模本条规定为某些类型的流激振动分析提供动水荷载试验本条要求每项试验研究使试验研本条说明本规程与工常规模型试验规相似准则水流压力脉动模型试验水流运动相似和动力相似遵循佛劳德模型定律压力脉动要素统计特征量的相似比尺与模型比尺关系为流速脉动比尺紊动强度比尺时间比尺压力脉动幅值比尺脉动频率比尺相关函数比尺谱密度比尺对于水流压力脉动频率的模型相似律其一由流体力学的基本方程出发导得相似模型律并和重即压力脉动的欧拉数和斯特劳哈尔分别为式中由式和式得压力脉动振幅比尺压力脉动频率比尺其二由原型观测和不同比尺的模型试验得出的经验模型律压力脉动振幅比尺压力脉动频率比尺因此得出的值也不尽相同大致上述情况表明而频率相但目前大多仍按式的相似比尺换应同时满足水力条件相似水力条件相似模型应满足本规程第条文说明和有关规定结构动力相似几何条件相似应满足建筑物原型与模型的几何尺寸和相应的位置相似结构物受力产生的应变和变位的比尺为式中物理力学条件相似应满足原型与模型结构材料的力学参数在线弹性范围内各参数的比尺为式中泊桑系数比尺运动条件相似应满足原型与模型结构的运动状态和产生运结构运动的微分方程可表示为原型模型式中结构的加速度列阵结构的速度列阵结构的位移列阵作用在结构上的动水脉动荷载列阵时间在一般的三维弹性体条件下单元刚度矩阵可写成其中是与坐标无关的量纲为为弹性系数矩阵则式中边界条件相似应满足原型与模型边界约束条件和受力条件模型中结构物边界约束条件参见本规程第按本规程第条相似准则流激振动试验一般应包括结构的模态试验和结构的动力响应结构的模态试验一般分为结构在空气中和在水中湿后者的试验在模结构的动力响应试验与模型比尺式中试验设备与量测仪器或结合局部模型进行压力脉动试验也可以按需要建造新试验设即且适合试验应用方可科学化对于量测一次仪器仪表的率定二次仪器仪表及采集系统的检定其周期一般为模型设计应按本规程的第条相似准局水工建筑物流激振动模型试验应按本规程第来选择模型类型要求对结构物制模材料的如不满足相似比尺的要求则应重新选择比在截取模型范围时应论证结构物边界约束条件在水工建筑物流激振动模型试验中结构物制模材料对于原型在一些试其主要力学弹性模量可以满足相似但制模材料的泊桑比和阻尼比不能达到相似对于其他制模材料在符合相似条件下也主要是地基模拟范围有的试验研究以进行自振模态分析计算和比较以截取本条要求在布置测点时应按照试验研究任务的特点和要求模型制作与安装是模型制造和安装的依据绘图和校核者均应可以采用短导应注意制模材料的力学参数和整体结构的相似传感器直接与在模型制作与安装完毕后依照图纸和要求进行检查和校试验内容与方法本条为试验前应做好的试验准备工作和应遵循的试验方在安排试验组压力脉动和流激振动均为随机过程数据采集一般可取采样间隔时间样本容量每个测点宜多于段样本以确保每个在每组次试验中宜进同资料试验资料整理与分析本条规定了压力脉动和流激振动试验数据处理的方法即这三条规定了压力脉动或流激振动试验必其他试验资料可按有关规报告编写模型设计和制数据采集和处理分别为脉动压力模型试验报告和振动模型试验报告应重点阐述的内容应就其对工程的影响作出明确的结论和提有关报告编写的其他要求应遵循模型试闸门水力模型试验规程总则必要性是目的本规程适用于水工建筑物各类闸门和阀门的水力模型试验对于进水口和闸室段门槽等的水流空化试验的有关试验技术与要求按闸门流激振动模型试验的有关试验技术与要求按以使试验研究程序规本条主要说明本规程与相似准则即满足几何相水流运动相似和动力相似遵循佛劳德模型定律其主要参数的比尺与模型几何比尺关系为流速比尺流量比尺时间比尺力的比尺压强比尺功的比尺功率比尺闸门启闭力和通气量试验观测资料还不能按重力相似准则直接换算为原型值需采用试验与计算相结合来解决参见本规程第试验设备与量测仪器且需动态调控流量和对高水箱提出的四条要求这三条都是对试验量测仪表提出的要求即试验所使用仪器仪表均应有国家或行业技术监督部门颁发的合自行研制的仪表也均应经过相应技术监是使试验的对量测一次仪器仪表的率定二次仪器仪表及采集系统的检定其周期一般为模型设计按佛劳德模型定律应保证来流流态相似在截取模型范围时应包括闸室前后的有关建应根据试验任务要求和试但模型闸门宽不宜小于水头高模型比尺均应模拟闸门前来流流模型制造与安装是模型制造和安装的依为了避免制模和安装差错提出以保应根据试验任务的要求对于需观察水流流态部位为确保模型和试模型制造和安装完成后应依据设计图及要求进行校核和应遵循试验内容与方法包括试验用的量测仪表仪器要保持闸门启闭过程中库水位保持不变调节流量和平水栅来完成整个过程通气管风速量测如测管中心最大风速则应乘以系数闸门起闭缝隙应遵循资料整理与分析便于分析了解建筑物及布置下游以便得出门体总水压力的水平分量和垂绘制门井水位变化过程线一为闸门全开情况门井水位与库水位关系曲线二为在一定库水位下由于模型中的摩擦力很只供原型闸门的启闭力可采用试验与计算相结合的方法根据闸门启闭力计算公式式中和摩擦力当闸门为等速启闭或启闭加速度很小时总水压力的垂直分量在模型试验量测得和后再参照有关原型观测资料或经验取用如有亦可进行这样就可由式和式并绘制可用或用气水比并整理成与闸门不同开度的关系曲线模型一般是参照大量原型观测资料和系列试验研究提供的的关流量及内边壁压力分布并计算流量报告编写冷却水工程水力热力模型试验规程总则工业水的冷却按冷却机理一后者是各类冷却塔及喷水冷却其测试技术已另有规定本规程限于通过自由水面来本条强调在模型试验的规划设计中应编写试验研究大纲大纲内容大致与一般水工试验同唯对气象资料和环境水温属本本条说明本规程与的关冷却水模型试验与一般水工模型试验不同之处在于增加了温伴随相应如不考虑水体的温差效应与水气交面的热交换效应相似准则为欧拉数为压佛劳德数为重力与惯性力之比密度佛劳德数为浮力与惯性力之比傅里叶数贝克莱数为对流换热与分子传热之比上述相似条件包括了不少物理变量其比尺关系在各个相似条件中要求不尽在实践时必须根据试验的主要任务放弃或放松一些次要的可将模型大致分为两类一般是水库型或宜采用几何变态局部掺混与之相应的温度场宜采用几取水口包含在同一模型中受纳水域包括了排水的近区和远区热力上的因果因此模型的几何变态率要依据和权衡多方面因素来最终确冷却水模型的相似要求可参考表临界流量的含义为冷却水量超过此值后受纳水域的整体流态已不随流量包括水上地形和建筑物的几何相似风面热交换通量相似本条说明试验任务涉及其他有关问题时应补充由相应控制试验设备与量测仪器热力模注表中符号注脚指排水温度深流量的模型比尺为需要的最小模型水深模拟冷却水运动浮力效应的水体密度差是由水温差控制的水面散热系数也随气象条件而异热力相似模型试验的环境气象条根据目前仪表的测控水平提出允许偏差为最大不能超过潮汐发生及控制系统是用于控制模型开边界潮汐参数的专控制系统组成目前多采用计算机实时控管路等供回水设不包括含盐模型设计模型比尺的选定及最终依循的模型相似条件要根据试验研根据已有冷却水模型试验的实践经验将模型的分类及其相似要求列于表模型设计应综合考虑权衡参见如冷却水运动属平面流为节省试验费用水质要求的试验模型制作与安装试验内容与方法对非恒定流要实时除以上各条外试验内容和方法与水工模型试验要求相试验资料整理与分析对于相报告编写航道水力模型试验规程总则沙量少于要求各项试验任务都应编写试验大纲及大纲所包括的主要相似准则指出航道模型和船模所应遵循的相似准则和有关参以保证水流运动的相试验设备和量测仪器量测仪器单位自制或兄弟单模型设计航道宜采用整体正态模型原因一是整体正态模型能更正其二是应用自航船模的理论如模型比尺已定模型制作与安装船模如果是船试验内容与方法关于形试验分析结果表或作为形试验的典型代表较可采用航向改变性参数作为总操纵性相似参数它适用于有足够的航向稳回转性参数操纵过程都满足相似而且是安全的一般宜要求和符号和分别代表模型和原静水航速由船舶马力确定对岸航速舵角愈试验资料整理与分析此几条为航道水力模型试验应整理分析的主要资边界舵角过程线对岸航速过程线及漂角过程线报告编写性重点对船模航行中的航向改变性参数或回转性参数和航船闸水力模型试验规程总则必要性是目相似准则说明船闸水力模型试验应遵循佛劳德相似准则和要求各水力要素的比尺与模型几何比尺的关系为流速比尺流量比尺时间比尺糙率比尺力的比尺力矩比尺试验设备与量测仪器本条要求船闸模型试验应有相应的设备包括高水箱用于用于输水阀门空化试验宽玻璃水槽自行研量测仪器仪表的检定周期一般为本条要求船闸水力模型试验量测仪器的其他一般要求应按模型设计本条要求船闸水力模型试验应按本规程第工程规范及试验室条件合理选这三条是按一般试验指出不同试验宜采用的模型本条说明模型设计其他要求应按模型试模型制作与安装是对人字门动水阻力矩试验模型制作提出的特例要求这项工作需要电气和机械等多种专业人员的合作是为保证试验成果质量对模型安装精度和检查校安装及测量设备安装按试验内容与方法每测次重复三次试验资料整理与分析这四项内容概括了船闸闸室灌水的基本通常都绘制在同一张图上统称为闸室灌水水按水工建筑物水流压力脉动和流激振动模型试验规程的前横向与后横向等三个方以论报告编写在很大程度上影此四条要求对船闸水力模型试验主要成果进行分对试验研究成果应有具体明确的水电站有压引水系统模型试验规程总则必要性是方法和依本条要求水电站有压引水系统模型试验必须编写试验大纲本条说明本规程与工模型试验规相似准则此两条为水电站有压引水系统模型试验应满足的试验设备与量测仪器此两条与对试验用的水箱提出的要求一般可采针一般采用可主要量测仪器均必须满足动态测量要求并采用同步测量记模型设计并采但由于引水管常常很长而洞径相采用正态模型有困难即引水管为保持调压井涌浪运动相似采用沃格特经模引水管长度比尺引水管管径比尺调压井高度比尺水流流速比尺水锤波速比尺发电流量比尺时间控制比尺涌波高度比尺水锤压力比尺模型制作与安装是用作调整闸门开度产生不同局部损失来补偿由于模型管长度模拟不够所引起的沿程制模材料根据过去经验制定的并不限制条文规定的精度要求是根据已有经验与保证试试验内容与方法试验方法可避免因温度和水质等环境因可通过同步记录下来的首尾端水锤压使为避免偶然误差规定每试验资料整理与分析报告编写这条是报告的重点应进行充分论证提出有说服力的结对方案比较若与数学模型相结合施工导流模型试验规程总则必要性是方法和依本规程适用于水利水电工程各类导流模型的水力试验研究概括有以下内容河床式导流一期围堰挡水期主河道导流二期围堰挡水期明渠导流或后期导流岸边式导流混围堰过水与隧洞结合的导流以使试验研究程序规本条主要说明本规程与的相似准则各水力要素的比尺与模型几何比尺的关系为流速比尺流量比尺时间比尺力的比尺压强比尺糙率比尺雷诺数应大于试验设备和量测仪器本条主要说明导流模型试验可根据具体要求在试验或施这三条都是对试验用的量测仪表提出的要求即试验所使用的仪器仪表均应有国家或行业技术监督部门颁发的合格证自行研制的仪表也均应经相应技是使试对于一次量测仪器仪表的率定二次仪器仪表和采集系统的检定其周期一般为模型设计并选择适这条主要是对截取模型范围提出了要求以保证坝区及导量测建筑物过流面上的压力水头增大时的泄洪模型制作与安装是模型制造和安装的为了避免制模和安装发生差错结构物线条和尺寸应清晰可根据具体条件选用其本条要求在制模时本条要求按试验研究的需要其他有关量测仪表安装要求按模型试验试验内容与方法这三条是根据不同模型类型应观测或量测的主要内容试验量应注意以下几点通常在调好水位和流量后进行量测对水位和流以确保资料的可靠性并作记录和说明资料整理与分析绘制不同导流工程布置方案的坝区及束窄河道的流速分布图及流态情况便于分析和比较导流工程总体布置及水流条件的绘制不同导流工程布置方案的水位比较和确定导流工程的规比较和选闸和坝下游消能冲刷及流速分布图便于分用以分析通航条此条是为分析利用导流洞兼作施工期间漂木的可能性及其报告编写这六条都是试验研究的主要成果要求资料准确可靠施工截流模型试验规程总则必要性是方法和依规定本规程的适用范围为水利水电工程河道平堵截流和立使试验研究程序规范本条主要说明本规程与相似准则各水力要素的比尺与模型几何比尺的关系为流速比尺流量比尺时间比尺力的比尺功率的比尺这三条是对抛投料抛投强度和进占方式的试验设备和量测仪器凡属市场购置且适合试验测方量测仪器仪二次和数据采集系统的检定周期一般为对截流模型及量测仪器的其他一般要求应按模型设计本条要求截流模型应按本规程第条相似准则进行设计并满足第本条提出应根据试验任务要求和试验室的条件综合考虑选当导流试验和截流试验在同一模型上进行时最终选择对人工预制的各种大型抛投料对堆筑体或戗堤所需的大一般这条要求按设计提供抛投料运输车辆载重情况及进占方式模型制作与安装应按。
水力空化供热设备试验测试及效果分析
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暖 通 空 调 HV&AC 2021年 第 5 1 卷 第 6 期
温度及水箱水温测点前后间隔约2 c m 处同时布置
了 2 个温度传感器，试验现场布置如图3 所示 。综
合考虑试验精度、可 行 性 及 经 济 性 ，本试验所采用
P
的数据采集设备及其参数如表1 所 示 。在实际应
键 ，从 而 裂 解 为 •H 和 _ ()H ，进 一 步 反 应 形 成 •曰()2和 H 20 2等 ，表现为强氧化性的空化化学效
应 。以 上 3 种效应统称为空化效应[5]。 1 . 2 空化供热国内外发展现状
空 化 研 究 可 追 溯 到 1 8 世 纪 中 叶 ，瑞士著名的 数学 家 Leonhard Euler从理论上分析了液体内空
、 撕
«
用 过 程 中 ，流 量 计 精 度 并 未 达 标 ，但 水 箱 容 积 一 定 ，
可通过水箱水温升精确计算一定时间内设备输出
热 量 ，故此误差对后续计算无影响。本试验实际进 行 时 间 为 2019年 1 1 月 2 5 日 13:20— 15:30,地点
为北京某实验中心。
P
、 堋 班
设备幵发
, ■ 1N
1 变频控制器
1
—
| |> T
水力空化 供热设备
T '为温度测点： 为 压 力 测 点 ： | 为 流 量 测 点 。
图 2 试验系统原理图
保温水箱整体设计高度为1. 9 m ,有效盛水高 度 为 1. 7 m ，内 部 直 径 为 1. 2 m ，实 际 容 积 为 1 922.7 L ，采用全保温设计，内外胆之间充注聚氨 酯 发 泡 保 温 材 料 。另 外 试 验 过 程 中 ,设 备 及 供 回 水 管 皆 采 取 了 保 温 措 施 ,以 减 小 环 境 对 计 算 结 果 的 影 响。 2 . 2 数据采集设备及测点布置
液化天然气潜液泵空化性能及压力脉动特性研究
液化天然气潜液泵空化性能及压力脉动特性研究液化天然气(LNG,即Liquefied Natural Gas)是一种清洁能源,以每年15%以上的需求增长率成为我国能源领域一个迅猛发展的新兴产业。
作为LNG产业链中的核心动力输送装备—LNG潜液泵,其性能好坏不仅影响泵的性能和使用寿命,而且影响LNG产业的安全性、经济性。
由于LNG潜液泵的核心技术被国外垄断,我国尚未拥有自主产权的相关LNG 潜液泵产品。
因此,开展高效LNG潜液泵关键设计技术研究,获得满足性能要求的叶轮设计参数和诱导轮结构优化参数,掌握空化特性和空化工况下的压力脉动特性,对我国天然气资源的有效利用和能源危机的缓解具有十分重要的意义。
本文在省六大人才高峰(B类)项目“万吨级深海浮式LNG潜液泵水力设计关键技术研究与应用”的资助下以LNG潜液泵为研究对象,根据设计要求设计了具有良好性能的LNG潜液泵模型,基于CFD分析技术,研究了LNG潜液泵能量性能、内部流场、空化性能以及空化激励下的压力脉动特性,为LNG潜液泵的优化设计和空化激励特性的研究奠定了理论基础。
本文的主要工作和创新性成果有:(1)LNG潜液泵主要过流部件包括叶轮、导叶和诱导轮等,本文分析并总结了这些主要过流部件的设计计算方法。
采用速度系数法对叶轮进行了参数计算,为使诱导轮入口流动状态和几何参数形成最优配合,基于Brumfield准则获得与之相对应的相关参数,借鉴径向导叶的设计方法确定导叶的几何参数。
在参数计算的基础上,完成主要过流部件的三维建模。
(2)通过数值模拟预测LNG潜液泵的能量性能,获得不同流量工况下全流场压力分布、叶轮和诱导轮内的速度场和压力场分布,研究了叶轮进口直径对LNG潜液泵能量性能的影响。
研究结果表明,LNG潜液泵流量-扬程曲线在小流量范围内平稳下降,大流量工况下呈现出陡降趋势,效率的最优工况点偏向大流量工况,高效区范围宽,满足能量性能要求。
小流量工况下,LNG潜液泵内部流道存在明显流动分离现象,是能量性能在迅速下降的原因之一。
会议主题征稿 空化 水动力学
会议主题征稿空化水动力学会议主题：空化水动力学一、会议组织1. 会议主办：本次空化水动力学会议由XX单位和XX单位联合主办，由XX单位负责筹备和安排会议事宜。
2. 会议时间：2020年XX月XX日－XX月XX日3. 会议地点：XX市XX酒店二、会议主旨和目的本次会议旨在深入探讨空化水动力学的前沿技术、新理论、新技术和新成果，促进相关领域的学术交流和合作，促进空化水动力学的应用和发展，为空化水动力学在社会中实现更多技术进步和成果撰写提供重要的平台。
三、征文范围及要求本次会议面向全国征集关于空化水动力学专业的原创论文，包括但不限于：1. 空化水动力学的新理论；2. 空化水动力学过程中的新技术、新方法、新应用；3. 空化水动力学流体动力学的新研究成果；4. 空化水动力学的新过程、新设备、新运行控制；5. 空化水动力学过程的新场景应用和用研究；6. 空化水动力学理论与实践研究等。
征文要求：1. 文章内容必须严格按照会议主题要求进行撰写，未参照会议主题要求撰写的文章将不予受理；2. 文章格式须遵循《中文核心期刊论文投稿指南》，详见本文附件；3. 收稿前请准备好文章单独的文件，文章内容请以word格式提交，文件命名方式请使用：《空化水动力学会议论文_文章作者名》；4. 若文章需要使用图片、表格等，请在投稿前将图片、表格等文件准备好，并提供图片和表格的高清原始版本，使用它们制作文章中的必须项；5. 征文格式不限，但应注意文章的完整性和流畅性，欢迎论文作者自主改进论文内容；6. 正式接收稿件时间截止至XX年XX月XX日24:00前。
四、论文评审1. 论文编辑部将对收到的论文审查，提交论文的作者应有准备参与会议；2. 所有收到的征稿文章均由内部评审小组评审，甄选出征稿质量较高的论文；3. 评审评价采用专家评审法，评审意见以最终决定为准；4. 获选稿件按会议分论坛发言，不发表的论文将视为未获批准；5. 所有参会作者参与论文集出版。
调速器无水和动水实验的一些内容
调速器无水和动水实验的一些内容一．试验内容(一).无水试验. 静态特性试验试验目的：检验调速器的转速死区和非线性度① 置调速器处于空载状态，或负载状态频率调节模式（模拟发电机断路器合），置永态转差系数bp=6%，PID参数取最小值bt=3%、td=3s、tn=0s，频率给定值=50Hz。
不跟踪指示灯亮。
② 把电气开限L开至全开，增加开度给定将导叶接力器开至50%左右的行程③ 用稳定的频率信号源输入频率信号，升高或降低频率使接力器全开或全关：调整信号值（变化值0.3Hz），使之按一个方向单调升高或降低，在导叶接力器行程每次变化稳定后，记录本次信号频率值及相应的接力器行程值，分别绘制频率升高和降低时的调速器静态特性曲线。
将频给和相应的接力器行程值记入表内。
方法二① 断开机组PT和母线PT与调速器的连线，将机频和网频输入信号端子与工频信号（调速器自带AC 5V）相联，置调速器于负载状态频率调节模式（模拟发电机断路器合），置永态转差系数bp=6%，负载PID参数取最小值bt=3%、td=2s、tn=0s，频率死区Ef=0.00Hz,置静特性标。
（本方法适用于数码管显示PLC微机调速器② 置频率给定Fs=50Hz,开度给定Ys=0.00%,电气开限L=99.99%，此时接力器将关至0%。
③ 将频给从50Hz开始每0.3Hz变化一次，使力器行程单调上升或下降，在导叶接力器行程每次变化稳定后，记录本次信号频率给定值及相应的接力器行程值，分别绘制频给升高和降低时的调速器静态特性曲线。
将频给和相应的接力器行程值记入试验报告中相应的表格。
每条曲线在接力器行程的5%-95%之间，测点不少于8个，如测点有1/4不在线上，则本次实验无效。
两条曲线间的最大间距就是转速死区。
国家标准: GB/T 9652.1-1997《水轮机调速器与油压装置技术条件》4.3.2规定：对于大型调速器转速死区ix≤ ０.０４%,中小型调速转速死区ix≤0.1%;最大非线性度ε≤5%2. 手自动切换试验试验目的：检验调节系统在工作方式切换时的响应过程。
水动力空化效应的实验研究与理论分析
水动力空化效应的实验研究与理论分析
雷飞东;邓松圣;李赵杰
【期刊名称】《后勤工程学院学报》
【年(卷),期】2010(026)002
【摘要】在研制空化射流实验装置的基础上,采用实验与理论分析相结合的方式,以苯酚溶液为对象,对水动力空化效应进行了研究.考察了进口压力、孔板结构与空化数的关系,研究了反应时间、进口压力和空化数对苯酚降解效果的影响.得出孔板在水动力空化过程中起决定性作用,一定结构的孔板还能有效抑制超空化现象的发生,确保较好的苯酚降解效果.
【总页数】4页(P33-36)
【作者】雷飞东;邓松圣;李赵杰
【作者单位】后勤工程学院,军事供油工程系,重庆401311;后勤工程学院,军事供油工程系,重庆401311;后勤工程学院,军事供油工程系,重庆401311
【正文语种】中文
【中图分类】TP601
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马克臣
5.对转舵桨水动力性能理论分析 [J], 侯立勋; 胡安康; 尹林林; 王顺
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可压缩空化流动空穴演化及压力脉动特性实验研究
可压缩空化流动空穴演化及压力脉动特性实验研究王畅畅;王国玉;黄彪;张敏弟【摘要】空化流动具有高度的压缩性,空化流动非定常特性及其流体动力与压缩性密切相关.为研究可压缩空化流动空泡脱落的回射流和激波机制下周期性空穴结构演化及其诱导流体动力特性,本文采用多场同步测试方法对典型云状空化流动进行了实验研究,获得了文丘里管扩张段内部云状空化空穴形态演化及其诱导同步壁面压力脉动信号.并基于数字图像处理技术,对附着型片状空穴和脱落型云状空穴结构演化进行了精细化定量分析.结果表明:可压缩空化流动回射流机制下,空穴演化呈现附着型空穴生长-回射流产生及发展-附着型空穴失稳断裂及大尺度空泡云团产生脱落的非定常过程,激波机制下空穴演化具有附着型空穴生长-激波产生及传播-附着型空穴失稳断裂及大尺度空泡云团脱落的非定常特征,激波传播时间占空穴脱落周期小于回射流推进.激波与空穴相互作用导致空穴内部含气率瞬间大范围大幅度下降,诱导复杂流体动力.激波传播过程中,空泡内部压力脉动大幅增加,激波前缘诱导压力脉冲,而回射流推进过程中,壁面压力脉动相对平稳,回射流头部存在小幅增加.不同机制下空穴结构存在显著差异,具有不同的相间质量传输过程.【期刊名称】《力学学报》【年(卷),期】2019(051)005【总页数】14页(P1296-1309)【关键词】可压缩空化流动;多场同步测量;回射流;激波;压力脉动;图像处理;质量交换【作者】王畅畅;王国玉;黄彪;张敏弟【作者单位】北京理工大学机械与车辆学院,北京100081;北京理工大学机械与车辆学院,北京100081;北京理工大学机械与车辆学院,北京100081;北京理工大学机械与车辆学院,北京100081【正文语种】中文【中图分类】O352引言水力空化是一种广泛存在的高速水动力学现象，发生于水流中的低压区域[1-2]，以水相和蒸汽相间剧烈质量传输为特征.长期以来，空化流动的理论及数值计算均基于不可压缩假设，这是由于相对常温水体音速1450m/s 和蒸汽音速340 m/s，来流马赫数在Ma=O(10)-3～O(10)-2，是极低马赫数流动.然而，空化一旦发生，将显著改变流场特性，实验表明，空化流动中当地声速可降至10 m/s 以下[3]，甚至3～5 m/s，空化区域可高达10 个马赫数，是具有强烈压缩性的音速/超音速流动，图1 为均匀汽液混相介质中声速与含气率关系.空化汽液混相介质压缩性效应产生的密度脉动必然改变流场结构及流体动力特性，压缩性是空穴强瞬态剧烈溃灭激波等瞬态载荷产生的根源，是空化流体动力的重要原因.由于可压缩空化流动涉及到相变、多相流、湍流、多尺度、非定常、非线性和波动力学(如激波、压缩波、膨胀波等)等几乎所有复杂流动现象[4-9]，上述问题对可压缩空化流动特性及机理认知和理解提出了挑战.图1 水汽混合介质声速分布Fig.1 Sonic speed in water/vapor mixtures云状空化阶段具有强烈非定常性，尤其是在周期性附着型空穴失稳断裂和大尺度空泡云团脱落溃灭过程中，往往诱导剧烈的压力脉动，振动，噪声和机械部件的疲劳破坏[10-12]，涉及到水力机械[13-14]、水中兵器[15]、水利水电工程[16-17]等工程领域中关键核心技术问题的解决.云状空化流动不稳定性研究吸引了大量学者，Knapp[18]最早观察到空泡云团从片状空穴中分离/脱落的准周期性行为.此后，大量学者针对云状空化脱落机制展开了理论、实验和数值计算研究，主要包括界面不稳定性理论如K-H 波[19-20]，回射流机制[21-27]和激波机制[28-35].并且，研究表明，不同机制之间存在耦合现象，如回射流/激波交替作用主导空化不稳定性[31]，K-H 波/回射流/激波联合作用机制[35].其中，回射流产生于空穴尾部，主要由水介质组成，紧贴壁面向上游推进，当回射流到达空穴前缘，回射流/空泡/主流相互作用导致空泡失稳断裂，断裂空泡在剪切作用下向下游输运，开始新一周期，逆压力梯度是回射流产生、发展的主要原因[27].X 射线技术的发展为深入空化区域内部介质演化提供了手段，Ganesh 等[32]应用X 射线密度测量技术对收缩--扩张流道内部含气率分布及演化进行了测量，捕捉到激波在空穴内部的传播，观察到，激波推进造成当地含气率急剧下降，当激波传播到附着型空穴前缘，会诱导空穴失稳断裂及空泡脱落，即激波机制.然而，激波机制的产生及传播机理尚不清楚.关于激波产生原因，存在空穴下游大尺度空泡团溃灭理论和附着型空穴生长理论.由于空化流场内外陡峭的声速分布，激波将经历纯液相，空穴边界，空穴内部等不同介质中，并且空化区域含气率分布具有不均匀非稳态的特点，导致其传播及衰减规律难以预测，伴随着更加复杂的流体动力现象.以往的研究多基于单一流场测量方法，缺乏多物理场耦合同步测量与分析，为深入分析云状空化不稳定性，亟需基于多场同步测量技术进一步研究不同机制下空穴演化过程及其诱导同步流体动力特性.随着高速摄像技术在空化流动研究的快速发展，数字图像处理技术作为多相流场研究的有效手段，逐渐应用到空化研究中[36].在以往研究中多应用于泡型相对稳定的超空泡流动中[37-40]，然而针对非定常特性更为剧烈的云状空化，由于汽液相间界面更为复杂多变，其几何特性的获取和精度为空化流动定量研究带来很大困难，为定量分析精细空化流场结构，尤其是云状空化附着型空穴结构和脱落型空穴结构行为，尚需开发适用于复杂非定常空化流场的数字图像处理技术.本文采用多场同步测量实验技术，同步获取了可压缩空化流动瞬态空穴形态演化及壁面压力脉动，并基于开发的空化图像处理算法，对文丘里管内典型云状空化流动回射流机制和激波机制进行了研究，本文的研究目的是：(1)深入可压缩空化流动回射流机制和激波机制瞬态空穴结构演化特性；(2)不同空化脱落机制诱导壁面压力脉动特性；(3)不同机制下不同空穴结构演化特性以及汽、液相间质量传输规律.1 实验设备及方法1.1 实验模型实验在北京理工大学高速闭式循环空化水洞中进行[4]，模型几何尺寸如图2 所示，采用收缩扩张的文丘里管，流道收缩段坡度为20°，扩张段倾角为10°，喉口高度为95 mm，喉口收缩比为1:2.在扩张段壁面上安装4 个动态压电式压力传感器，可以测量空化诱导压力脉动，具体安装位置如图2 所示.图2 实验段及模型几何尺寸(单位：mm)Fig.2 Schematic of venturi tube model and position of mounting transducer(unit:mm)1.2 测量设备及方法图3 (a)多场同步测量系统[33] 及(b)同步触发系统Fig.3 Schematic of simultaneous measurement system for(a),and control systems for(b)图3 (a)多场同步测量系统[33] 及(b)同步触发系统(续)Fig.3 Schematic of simultaneous measurement system[33] for(a),and control systemsfor(b)(continued)图3 为多场同步测量系统示意图[11,33]，该系统同步耦合了全流场显示子系统和动态压力测量子系统.高速全流场显示系统主要包括镝灯、高速摄像机和计算机，如图3(b)所示，实验中，采集频率设定为3000 帧/秒，采集时间为1.5 s.动态压力测量系统主要包括压力传感器、信号调节器、数据采集卡和计算机，如图3(c)所示，传感器为PCB 公司的102A05型，量程690 kPa，灵敏度为7.3 mV/kPa，精度为0.014 kPa，信号采集卡为NI 公司的PCI-613，最高可达2.5 MS/s 的采样速率.实验中，压力信号采集频率为1.024 MHz，采集时间为10 s.通过自主设计开发的多功能同步触发系统，该触发系统考虑了各子系统阻抗差异，可以保证子系统的时间同步性.实验时，当调节好流动工况，闭合触发开关生成TTL 信号，在该TTL 上升沿信号的触发下，全流场显示系统和压力测量系统同步启动，两个系统同时开始采集数据.1.3 图像处理方法实验拍摄区域为文丘里管喉口及下游空化区域，拍摄时保持光源、背景和拍摄角度不变，图像采集频率为3000 帧/秒，分辨率设置为752×312.图4 以云状空化流动典型时刻为例给出了图像处理方法，该方法基于灰度等级进行空穴结构分析，采用MATLAB 程序实现，可以实现空穴面积、空穴轮廓的提取，以及不同空穴结构分割等功能.1.3.1 图像预处理在图像预处理阶段，处理步骤为：彩色图像--去噪--灰度图.去噪环节包括采用RGB 值调节方法去除空穴区域以外背景噪声，采用像素控制方法去除模型、标记等固定位置噪声；在灰度处理环节，根据ITU-R BT.601-7 标准[41]，采用RGB/BW 转化公式进行灰度化，得到灰度图片.在灰度图像中，每一个像素点位置具有一个灰度值G(x,y)，其范围为0～255(0 为黑色，255 为白色)，每一个灰度图片可表示为一个像素矩阵，存储像素信息供后续处理其中，n 为图像宽度，m 为图像高度，p 为灰度级.根据灰度矩阵，可以得到空穴面积、空穴轮廓等特征参数.1.3.2 不同空穴结构提取为定量提取不同空穴结构形态、尺寸及演化信息，需要将空化图像中不同空穴结构如片状、云状空穴分割，如图4 所示，在本文中采用连通方法识别并分割不同空穴结构，考虑到空穴结构的复杂性，分别不显著的空化图像采用像素控制方法进行分割.由于连通方法要求空穴结构内部无孔洞存在，在处理过程中，首先对灰度图片进行填充处理，然后对填充处理后的图片基于连通识别，最终分别得到附着型片状和脱落型云状空穴结构并存储其像素信息.图中，原始图片中标记“1”，“2”，“3”和“4”分别表示#1，#2，#3 和#4 传感器安装位置.图4 图像处理方法Fig.4 Image processing approach本文采用的无量纲参数定义如下：空化数σ=雷诺数Re= UtH/ν；傅汝德数Fr=Ut/(gH)0.5；斯特劳哈尔数S t= f H/Ut.其中，Ut 为喉口速度，ρ 为水体密度，pv 为饱和蒸汽压力，p∞为入口处静压强，H 为喉口截面高度，d 为试验段展向宽度，ν 为水体运动黏性系数，f 为空穴脱落周期.其中，ρ=998.16 kg/m3，pv=2338.16 Pa，H=0.095 m，d=0.070 m，ν=1.003 6×10-6 m2/s.实验中，文丘里管模型收缩段和扩张段角度不确定度控制在1% 以内，来流速度和入口压力的不确定度在2%以内，因此，空化数的不确定度可以控制在5%以内.实验中，固定来流速度，通过调节入口压力可以得到不同来流空化数，从而得到以空化数为主要控制参数下的不同流场结构.实验研究了喉口来流速度为8.3 m/s，雷诺数为8.08×105 下不同空化阶段非定常可压缩空化流动特征，本文选择典型回射流工况：σ=0.76，Ut=8.3 m/s，Re=8.08×105，Fr=8.58；典型激波工况：σ=0.70，Ut=8.3 m/s，Re=8.08×105，Fr=8.58 进行重点分析.其中，雷诺数不确定度为空化数不确定度为2 结果与讨论云状空化流动呈现周期性复杂空穴结构演化行为，主要包括附着型空穴结构的生长、发展、断裂和大尺度脱落型空穴结构脱落、溃灭.图5 给出了云状空化典型空穴结构，可以看出，云状空化呈现丰富的空穴结构特征.在附着型空穴生长过程(图5(a))，空穴紧贴壁面向下游生长，空穴尾部存在小尺度的空泡团脱落现象[26]，如图5(a)中箭头所示片状空穴尾部的U 型脱落空穴结构.在大尺度空泡团脱落过程(图5(b))，断裂的空穴在主流剪切作用下形成大尺度空泡云团向下游输运，同时文丘里管喉口位置生长出新周期的附着型空穴，新生附着空穴和脱落空泡云团之间常见空穴涡带相连，如图5(b)中虚线圆圈所示.不同空穴结构行为将显著改变流场，诱导不同流体动力特性[10,22,31].云状空化具有强烈的不稳定性，其中附着型空穴的断裂、脱落机制一直是空化研究的热点和难点，前期研究工作[32-33]发现，相对于经典的回射流机制，云状空化存在着附着型空穴断裂脱落的激波机制，目前对于两种机制的特点及其发生边界尚不清楚，亟需深入研究.下面，将基于耦合高速摄像和动态压力传感器的多物理场同步测量技术，对典型回射流机制和激波机制下非定常空穴结构演化及其诱导压力脉动特性展开细致分析.图5 典型云状空化行为(σ=0.70)Fig.5 Typical cavity structures in cloud cavitating flows σ=0.702.1 周期性空穴结构演化图6 给出了回射流机制(左)和激波机制(右)下一个空化脱落周期内高速摄像观察，水流流动方向为从左向右，如图6(a)中水平箭头所示，回射流头部和激波前缘位置由图中箭头及相应文字标识.图7给出了基于图4 图像处理方法中灰度图得到的时间平均空穴结构，统计时间为1.5 s，4500 帧图片，图中轮廓虚线为gave=0.1 (gave= g(x,y)/255)，可反映空泡轮廓可以看出，激波机制下扩张段流动分离区域内空穴尺寸包括空穴厚度及空泡长度大于回射流机制下，并且蒸汽体积分数增大.表1 列出了回射流和激波的运动特性，表明，回射流运动和激波传播速度接近，但回射流运动时间所占空穴脱落周期大于激波传播时间.由高速录像观察得到回射流机制下空穴脱落周期为Tref,re=66.33 ms，基于最大附着型空穴长度的斯特劳哈尔数为S tre= flcav,max/Ut=0.17；激波机制下,Tref,sh=150 ms，S tsh=0.13. 激波机制下(σ=0.70)，周期性空穴结构演化可以分为：(1)附着型空穴生长，(2)激波产生及传播，(3)附着型空穴断裂及大尺度空穴结构脱落，3 个典型空化阶段.在附着型空穴生长阶段(t1, t2)，附着型空穴发生于文丘里管喉口附近，随着空泡生长，空泡长度及厚度增大，同时上一周期的断裂空穴在主流剪切作用下形成空泡云团并向下游输运，附着型空穴与脱落型空穴之间存在明显水层，在水层中存在空泡漩涡结构如图6(a)，如空化涡丝，涡带等，与图5(b)中观察一致，并且在附着型空穴尾部有小尺度空泡云团的脱落溃灭现象.在激波产生、传播阶段(t3,t4)，此时脱落空泡云团已经溃灭，向上游传播的激波与附着型空穴相互作用造成当地蒸汽空泡溃灭，带来的当地含气率下降，激波前为高含气率，激波后为低含气率，由此，可以识别出激波前缘的位置，经过0.23Tref，激波前缘由下游x/H=1.53 传播至x/H=0.37 (其中x 为回射流前缘距喉口距离，H 为喉口高度).进一步细致观察发现，当激波传播至附着型空穴前缘(即文丘里管喉口附近)，附着型空穴失稳断裂[32].激波传播速度及时间见表1 列出.在空泡云团脱落阶段(t5)，断裂的空穴在主流作用下逐渐形成空泡云团并向下游输运，新生附着型空穴产生于文丘里管喉口位置，两种空穴结构之间由水体填充.由于激波的作用，此时，附着空穴内部含气率较低，脱落空泡内部含气率较高，定量分析附着型和脱落型空泡内部含气率变化，需要采用如X 射线、探针技术等[25,32]进行测量.图6 回射流机制(a)和激波机制(b)一个周期内瞬态空穴结构演化过程Fig.6 Experimentally observed time series of cavity behaviors during one typicalcycle for(a)re-entrant jet mechanism,and(b)shock wave mechanism.Time between two consecutive images is 2/9 Tref图6 回射流机制(a)和激波机制(b)一个周期内瞬态空穴结构演化过程(续)Fig.6 Experimentally observed time series of cavity behaviors during one typical cycle for(a)re-entrant jet mechanism,and(b)shock wave mechanism.Time between two consecutive images is 2/9 Tref (continued)图7 时均空泡形态.虚线为gave=0.1,LW 为图像宽度，LH 为图像高度Fig.7 Experimentally observed time averaged grey level. LW is width of the image,LH is height of the image回射流机制下(σ=0.76)，空穴结构呈现与激波机制不同的特点，包括：(1)附着型空穴生长，(2)回射流产生及推进，(3)附着型空穴断裂及大尺度空泡结构脱落.在附着型空穴生长阶段(t1,t2)，附着型空穴产生并向下游生长，并且随着上一周期脱落型空泡云团向下游输运距离增大，脱落空穴尺寸减小，空穴高度增大，如图6(b)所示.对比图6 中左右各图可知，不同于激波机制，回射流机制下附着空穴和脱落空穴之间距离较近，如图中双向箭头所示，并且存在大量离散随机空泡.在回射流产生及推进阶段(t3,t4)，此时，上一周期脱落空泡云团尚未溃灭.回射流位于空穴底部紧贴壁面向上游运动，主要由水组成，带来局部水体含量增大，含气率下降，如图6(c)和图6(d)中箭头所示低含气率区域，经过0.23Tref，回射流头部从下游x/H=0.79 运动到x/H=0.55.在脱落空泡云团形成及脱落阶段(t5)，断裂空泡逐渐向下游输运，伴随着新生附着型空穴在文丘里管喉部产生.表1 回射流和激波运动特性Table 1 Motion characteristics of re-entrant jet,and shock wave图8 给出了回射流机制和激波机制下约3 个周期内无量纲空穴面积(S/Sthroat，左)及其面积变化率(d(S/Sthroat)/dt，右)随时间的演化，红色曲线为空穴面积变化率趋势线，图中红色圆圈表示为图6 中相应时刻.考虑到空穴演化过程中空穴结构内部存在含气率变化，如在空穴溃灭过程，及回射流/激波与空穴相互作用过程，空穴尺寸不改变而内部含气率发生变化，单纯空穴几何形态无法全面描述空化结构，因此，本文采用基于空化灰度图像的考虑当地灰度值变化的空化面积计算方法，其定义为其中，M 和N 为空化图像分辨率，本文试验中，N=752，M=312，Sthroat=dH.空穴面积变化率定义为图8(a)给出了不同机制下基于高速摄像观察的无量纲空穴面积及其变化率演化曲线，图中符号表示与图6 中时刻一一对应.回射流机制下(σ=0.76)，在附着型空穴生长阶段，空穴面积逐渐增大，并达到最大值；在回射流发展及推进阶段，空穴面积逐渐减小，降至最小值，结合图6 中空穴形态知，空泡面积最小值处空泡云团恰好完全溃灭，此阶段回射流运动造成空穴内部水体含量增大，空泡含气率减小，进而空泡面积减小，进一步发现空泡面积减小速率呈现减缓的趋势.在大尺度空泡云团脱落阶段，伴随着下一周期附着型空穴生长，空泡面积增大.激波机制下(σ=0.70)，如图8(b)所示，在附着型空穴生长阶段，空泡面积减小，由最大值逐渐减小至最小值，结合图6 中高速摄像可以看出，此时脱落空穴结构尺寸显著大于附着型空穴结构，脱落型空穴结构的快速溃灭带来空穴面积的减小，空穴面积变化率出现先急剧减小后增加的特点.在激波与空穴相互作用阶段，此时脱落空泡云团已经完全溃灭，附着型空穴尺寸几乎没有变化，由于激波在空穴内部传播造成当地空泡溃灭，其内部含气率大幅下降，此阶段空泡面积小幅下降，空泡面积变化率较小呈现稳定特点.在空穴失稳断裂及大尺度空泡云团脱落阶段，空泡面积呈现先急剧增大至最大值，然后急剧下降的特点.为定量分析不同机制下空穴演化过程中不同空穴结构演化特性，基于图4 中数字图像处理方法，提取了分割后的附着型空穴结构和脱落型空穴结构信息，进而对不同空穴结构进行定量分析.图8 3 个空穴脱落周期内空穴面积及空泡面积演化，(a)回射流机制，(b)激波机制Fig.8 Time evolution of cavity area and cavity area change rate for(a)re-entrant jet mechanism,and(b)shock wave mechanism during approximately three cavitation cycles图8 3 个空穴脱落周期内空穴面积及空泡面积演化，(a)回射流机制，(b)激波机制(续)Fig.8 Time evolution of cavity area and cavity area change rate for(a)re-entrant jet mechanism,and(b)shock wave mechanism during approximately three cavitation cycles(continued)空穴面积代表空化区域相分布，反映了空化汽、液相质量交换程度.图9 列出了回射流机制和激波机制下3 个空化脱落周期内无量纲空穴面积(Scav，黑线)，无量纲附着型空穴面积(Scav,a，红线)和无量纲脱落型空穴面积(Scav,s，蓝线)演化曲线，图中标识与图6 中时刻一致，表2 列出了回射流机制和激波机制下附着型空穴和脱落型空穴生长速度和时间特性.对比图9 和表2 可知，回射流机制下，两种空穴结构生长速度相近，激波机制下，脱落型空穴结构脱落速度大于附着型空穴生长速度，并且在來流雷诺数一致情况下较回射流机制下脱落速度更快.回射流机制下(σ=0.76)，在附着型空穴生长阶段，附着型空穴面积经历快速增大--缓慢增大的变化过程，脱落型空穴面积经历稳定--快速减小的变化过程，空穴面积整体呈现先增大--后减小趋势.表明，在空穴生长前期，附着型空穴生长主导相间质量交换程度，在空穴生长后期，上一周期脱落空穴溃灭主导相间质量交换程度.在回射流发展阶段，脱落空泡云团面积逐渐减小，最终脱落空泡云团完全溃灭，该过程中附着型空穴面积保持稳定，整体空穴面积呈现快速减小然后稳定的变化过程.该过程中，脱落空泡云团主导空化相间质量交换程度.在大尺度空泡云团脱落过程中，在空泡脱落前期，新生附着型空穴面积、脱落型空穴面积及整体空穴面积均呈现增大趋势，此时空化发展剧烈，大量水体相变为蒸汽.图9 一个周期内空穴面积(S cav，黑线)，附着型空穴面积(S cav a，红线)，和脱落型空穴面积(S cav s，蓝线)演化曲线Fig.9 Time evolution total cavity area(S cav,black),attached cavity area(S cav a,red),and shedding cavity area(S cav s,blue)表2 回射流机制和激波机制下附着型空穴结构和脱落型空穴结构运动特性Table 2 Characteristics of attached cavity,and shedding cavity激波机制下(σ=0.70)，在附着型空穴生长阶段，附着型空穴结构面积增大，由于脱落空泡云团快速向下游高压区域输运，云团面积迅速减小，整体空穴面积呈现减小的趋势，随着云团脱落至实验拍摄区域之外，拍摄区域空泡面积增大，表明在该过程中脱落空泡云团主导相间质量传输过程.在激波传播阶段，激波与空穴相互作用导致空化介质含气率下降，空穴尺寸不变，此时空泡面积呈现小幅下降，激波诱导空泡溃灭主导相间质量交换.在空泡云团脱落过程中，随着空泡的失稳断裂，新生附着型空穴面积逐渐增大，而脱落型空穴面积呈现先增大--减小的趋势，结合图6 中高速录像可以看出，这是由于激波过后，当地压力恢复低压值，当空泡云团在喉口附近形成时由于环境压力较低，液体汽化为蒸汽，含气率升高，空化面积增大，随着脱落空泡云团输运到下游高压区，环境压力增大，空泡发生溃灭，空泡面积快速减小，此阶段脱落空泡主导相间质量交换.2.2 空化诱导压力脉动特性研究为进一步分析可压缩空化流动回射流机制和激波机制下空化诱导流体动力特性，图10 中给出了两种机制下约3 个空穴脱落周期内扩张流道内壁面4 个位置处压力脉。
绕不同扭曲水翼的空穴发展及其水动力特性的数值研究
绕不同扭曲水翼的空穴发展及其水动力特性的数值研究杨龙;胡常莉;曹友铨【摘要】针对水力机械叶片表面的空化问题,开展了绕不同扭曲水翼的空化流动特性的数值研究.采用均质流模型并耦合大涡模拟方法(LES)和Zwart空化模型,计算了绕NACA0009和Clark-Y两种扭曲水翼在不同空化数下的空化流动.结果表明:绕不同翼型的空穴发展随着空化数变化呈现明显不同的特性.相比于NACA0009翼型,绕Clark-Y翼型的空穴尺度随着空化数的减小而增大的幅度更明显,对空化数更为敏感.绕NACA0009翼型的空穴可以将翼型导边完全覆盖,而Clark-Y翼型导边的两侧并没有被空穴覆盖.另外,绕NACA0009翼型的空穴更容易出现准周期性变化和形成U形涡结构的脱落空泡团.不同翼型的升力系数的变化规律也显著不同,Clark-Y翼型的时均升力系数均显著大干NACA0009翼型.随着空化数的减小,相比于Clark-Y翼型,NACA0009翼型的升力系数更容易出现准周期性变化.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2018(018)027【总页数】8页(P233-240)【关键词】扭曲水翼;空穴发展;U形涡结构;升力系数;准周期性【作者】杨龙;胡常莉;曹友铨【作者单位】南京理工大学能源与动力工程学院,南京210094;南京理工大学能源与动力工程学院,南京210094;南京理工大学能源与动力工程学院,南京210094【正文语种】中文【中图分类】TV131.32水翼是大部分水力机械的主要部件，如水泵、水轮机和螺旋桨等，其水力特性会影响水力机械的总体性能。
当水翼表面压力低于液体的当地饱和压力时则会产生空化现象，而导致水力机械产生噪声及振动，空泡溃灭时产生的高温高压会对水力机械造成损坏，对水力机械的总体性能产生很大的影响[1]。
因此，水翼表面空化特性的研究对流体机械的实际应用具有十分重要的意义。
近年来许多学者对二维水翼的空化特性展开了许多研究，如黄彪等[2,3]通过实验对绕二维水翼非定常空化流场结构作了深入研究，分析了空化和涡产生的联系。
科学通报_湍流作用下水力空化气泡内温度演变的动力学分析
1.1
空化泡运动驱动压力
本文中 , 水力空化发生装置采用文献 [26]中的孔 板几何结构 . 对于通过孔板的高雷诺数湍流流动 , 漩 涡的形成会引起速度波动 , 从而导致压力波动 , 空化 泡的运动将同时受到平均流动和瞬时湍流速度脉动 的影响 . 参照 Pandit 等人 [27,28]的研究 , 将湍流脉动速 度近似为正弦规律变化 , 则孔板下游任意一点 ( 轴向 方向 )在 t 时刻的瞬时速度可表示为
摘要 以水为工作介质, 在综合考虑液体可压缩性、液体表面张力、液体黏性、气泡内外热交换 及气泡内部存在水蒸气的情况下, 采用动力学方法对湍流压力场驱动下水力空化气泡内的温度 演变及影响因素进行了研究. 分析了液体中空化热效应产生的原因及空化泡平衡半径、 孔板水力 空化反应器运行与结构参数等对空化泡溃灭温度的影响规律, 拟合得到了各影响参数与空化泡 溃灭温度之间的显著函数关系式. 研究结果可为水力空化反应器的优化设计及水力空化技术的 发展和应用提供理论指导与技术支撑.
(3)
式中 R=R(t)为任意时刻的空化泡半径 , c 为液体中的 局部声速 , H 为液体在空化泡壁上的焓值 :
P B 2n c c R , Pt B H
PR Pt n 1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1
空化泡动力学模型
(4)
对于本文的模型 , 采用了以下假设 : (1) 空化泡 膨胀和收缩期间保持为球形 ; (2) 忽略液体相与空化 泡之间的相对运动 ; (3) 空化泡形成以后保持力学平 衡 ; (4) 空化泡内气体压力沿径向均匀分布 ; (5) 空化 泡内气体由空气与水蒸气组成 ; (6) 不考虑空化泡内 化学反应的影响 .
2002美国橡树岭国家实验室研究人员taleyarkhan11在science上报道了他们用声致发光技术使微气泡在超声波场中内爆引发核聚变的实验结果后来他们又发表了补充性论文进一步提出了气泡核聚变的证据1213taleyarkhan等人的报道之前术界已经公认气泡内的温度只有万度的数量级14但是如果声致气泡热核聚变真实存在空化泡溃灭温度峰值恐怕就不是万度的量级而要高出几个数量级
水温对空化流动影响的数值研究
水温对空化流动影响的数值研究
项乐;谭永华;陈晖;许开富
【期刊名称】《推进技术》
【年(卷),期】2020(41)6
【摘要】为了研究温度升高对翼型表面空化流动的影响,以水为介质,首先对几种现有空化模型的预测能力进行了对比分析,发现Singhal模型能够较准确预测空化区的形状、压力和温度分布。
通过添加空化引起的能量源项、耦合介质物性参数与温度关系等方式考虑了热力学效应的影响,并利用现有实验数据充分验证了仿真方法的可靠性,发现考虑热力学效应对压力分布影响较小,但是会导致空化区最大温降减小10%左右。
基于建立的仿真方法,对298K^393K温度范围内空化流动进行数值仿真,发现空化区温降随温度升高而增大,但是空化区面积随温度变化在T=353K存在拐点,T<353K时,空化区面积随温度升高而增大;而T≥353K时,空化区随温度升高而减小。
最后研究了雷诺数变化对空化发展的影响,发现雷诺数增大有一定促进作用,而温度升高同时导致热力学效应增强(抑制空化)和雷诺数增大(促进空化),正是这两种相反作用之间的平衡决定着温度对空化流动的影响。
【总页数】10页(P1324-1333)
【作者】项乐;谭永华;陈晖;许开富
【作者单位】西安航天动力研究所液体火箭发动机技术重点实验室;航天推进技术研究院;西安航天动力研究所
【正文语种】中文
【中图分类】V431
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图3
试验装置布置图
176
机
械
工
程
学
报
5
第 50 卷第 8 期期
1.3
量纲一参数的定义 空化数 、雷诺数 Re、升阻力系数 Cl 和 Cd ，
斯特劳哈数 Sr 的定义为 p pV (T ) 2 0.5lu U L Re c
(1) (2)
t
2 Lc 0.5 u Fx Cd 2 Lc 0.5 u
Cl
Fy
(3) (4)
fLc (5) u 式中， p 、 u 、 pV (T ) 和 l 分别为距试验段上游 Sr
入口 210 mm 处参考断面上的平均静压强、断面平 均速度、 无穷远来流温度下的汽化压强和水的密度。 F Fx 和 y 是水翼所受到的阻力和升力， Lc 是水翼弦 长， t 是水的运动黏度。
2
试验结果分析与讨论
298 K 和 318 K 三种温度下 试验中， 对 279 K、 绕水翼空化流场的动力特性和空穴形态进行了分 析。在以下讨论的结果中，水翼的攻角 8 °，雷
诺数为 1.56×10 ，采用加热器来改变流场的水温， 采用真空泵改变水翼上游的压力来调整空化数。 试验中分别测量了不同温度不同空化数下，水 翼所受的升阻力，试验采样频率为 1 kHz，样本长 度为 1 s。升阻力变化规律一致，由于阻力系数量级 较小，升力系数较大，三种温度下区别较为明显， 故以升力系数为例讨论温度对空化动力脉动特性的 影响。图 4 是试验测得的不同温度不同空化数下水 翼升力系数随时间的变化图，图 5 给出了相同工况 下升力系数的波动范围。结合图 4 和图 5 可知，三 种温度下升力系数变化规律一致，随着空化数的降 低，升力系数平均值降低，但升力系数的波动范围 先增大，到云状空化阶段时，波动范围增至最大， 之后减小，进入超空化阶段后继续减小。同时还发 现，在云状空化阶段，一些低频的变化开始明显出 现在升力系数的变化图中，此时对应的升力信号的 波动幅值增加得更加显著，表明空穴对水翼的作用 加强，同时升力信号变化的周期性逐渐增强。 对比三种温度下升力系数变化图发现，升力系 数的波动幅度随着温度的升高而降低，但是波动的 周期却变化不大。在不同的空化发展程度下，温度 对升力系数影响的规律不同。升力系数较大时，温 度对升力系数影响较小；升力系数较小时，温度对 升力系数影响较大。
流中可能包含的游离型气泡。在罐的出口与试验段 之间安装有一直角导流栅和一直线导流栅以减小水 流的湍流度。罐上部的密闭空腔与一真空泵相连以 控制系统中的压力。由电动机驱动轴流泵得到所需 的循环流动。加热器安装在贮水池底部，并在试验 段进口安装温度传感器。其中温度传感器型号为 WZPK， 温度范围为 0～773 K， 允许误差为+(0.15 K+ 0.002 K)。图 2 是水翼在试验段安放位置示意图。 试验时， 通过其上下部及前侧面的透明有机玻璃窗， 可观测水翼周围的流场形态。
0
前言
当液体内部的局部压强降低到液体的当地饱 和蒸汽压时，在液体内部或液固交界面上就会产生 [1] 蒸汽，这种现象称为空化 。空化发展到一定阶段
* 国家自然科学基金资助项目(50979004，51239005)。20130508 收到初 稿，20130923 收到修改稿
会伴随着空泡群的破灭和脱落，引起强烈的噪声、 [2] 振动和空蚀 。空穴的非定常状态会引起水力机械 运行的非稳定性，并造成叶片的疲劳破坏。尤其在 诱导轮中，由于叶片之间的相互作用，叶片流道内 空穴呈非对称结构，造成诱导轮叶片非稳定载荷作 [3-4] 用 。在非定常空化流场中，空穴结构和升阻力在 不同的空化阶段会表现出不同的规律，流场的脉动 [5] 特征也不断变化。KJELDSEN 等 对 NACA-0015 水翼进行了试验研究，并对试验结果进行了频谱分
(1. School of Mechanical and Vehicular, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081; 2. Beijing Electro-Mechanical Engineering Institute, Beijing 100074)
Experimental Study on Hydrodynamic Characteristics of Cavitating Flows around Hydrofoil under Different Water Temperatures
SHI Suguo1, 2 WANG Guoyu1 HU Changli1 GAO Deming1
第 50 卷第 8 期 2014 年 4 月
机
械
工
程
学 报
Vo l . 5 0 Apr.
No.8 2014
JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING
DOI：10.3901/JME.2014.08.174
不同温度水体空化水动力脉动特性的试验研究*
时素果 1, 2 王国玉 1 胡常莉 1 高德明 1
Abstract：In order to study the influence of the thermal effect on hydrodynamic characteristics of cavitating flows, the unsteady cavitating flows around a Clark-y hydrofoil under 279 K, 298 K and 318 K conditions are respectively investigated experimentally. Experiments are carried out in a rectangular test section of a cavitation tunnel. A high-speed video camera is used to visualize the unsteady cavitating flow patterns, and the lift and drag coefficients are measured by dynamics force measurement system. The spectral analysis of the measured data is conducted and the spectrum characteristic of the lift force around the hydrofoil is obtained. The results show that when the water temperature is increased, the average values of lift and drag coefficients decrease as well as the lift fluctuation tends to be mild by keeping the caviation number consistent. The influence on the lift and drag coefficients by temperatures becomes weaken with increases of the cavitation number. The fluctuating scale of the lift coefficient is correlated to the unsteady cavity closely. The temperature has little effect on the frequency of lift when it is cavitation inception or sheet. But when cloud cavity appears, the temperature greatly affects on the frequency based on lift. To interpret the conclusions above, it is inferred that when cavitation number is constant, the cavitation region decreases with the increasing of temperature. Moreover, the influence of the temperature is more distinct when the cavitation region is larger. Key words：thermal effect；temperature；cavitation；dynamic characteristics；frequency
图1
空化水洞示意图
图2
试验段几何尺寸及水翼安放位置
1.2
数据采集和高速全流场显示系统
图 3 是数据采集和高速全流场显示系统布置示 意图。试验选用动态应变仪与粘贴好的箔式中温电 阻应变片组成测量电桥，测量翼型所受的升力和阻 力。 翼型升力方向固定了一种微型压电式加速度计， 用于测量翼型在升力方向的振动信号，其最高采样 频率为 25 kHz，可以很好地监测空化流动中的高频 信号。电压信号通过 16 通道的 A/D 数字转换器放 大和滤波，采集到计算机中。
1
1.1
试验装置和方法
试验水洞
试验在一闭式空化水洞进行，图 1 是空化水洞 示意图。试验段尺寸为 70 mm×190 mm×700 mm。 整个系统主要由蓄水池、稳流除气罐、电动机及调 速系统、轴流泵、真空发生装置、试验段及管路组 成。驱动轴流泵位于试验段下方 5 m 处，以防止驱 动泵的空化。试验段上游的稳流除气罐用来分离水
(1. 北京理工大学机械与车辆学院 北京 100081； 2. 北京机电工程研究所 北京 100074)
摘要：为研究热力学效应对空化水动力脉动特性的影响，采用试验的方法研究温度为 279 K、298 K 和 318 K 时绕水翼的非 定常空化流动特性。试验在闭式水洞中进行，采用高速摄影的方法观察不同温度下绕水翼的空穴形态，采用测力系统测量水 翼受到的升阻力， 并对升力信号进行频谱分析， 得到水翼升力在非定常空化阶段的频率特征。 结果表明， 相同空化数条件下， 随着温度的升高，平均升阻力系数降低，升力系数波动程度降低；温度对升阻力系数的影响随着空化数的升高而降低。在不 同的空化发展阶段下，温度对升力系数影响的规律不同，空化形成和片状空化阶段，温度对升力系数影响较小；云状空化阶 段，温度对升力系数影响较大。之所以出现上述规律是因为在同一空化数下，随着温度的升高，空化区域减小；而空化区域 越大，温度对空化流动的影响则越大。 关键词：热力学效应；温度；空化；动力特性；频率 中图分类号：TV131