空化水动力学非定常特性研究进展及展望
水翼非定常空化流动中湍流模型研究
水翼非定常空化流动中湍流模型研究李雨濛; 陈晖; 项乐; 张亚太【期刊名称】《《火箭推进》》【年(卷),期】2019(045)006【总页数】9页(P29-37)【关键词】水翼; 空化流动; 非定常; 湍流模型; MFBM【作者】李雨濛; 陈晖; 项乐; 张亚太【作者单位】西安航天动力研究所液体火箭发动机重点实验室陕西西安710100【正文语种】中文【中图分类】V431; TV131.320 引言近年来航天不断发展，液体火箭发动机作为重要的动力来源也不断更新换代。
新一代液体火箭发动机以液氢液氧或液氧煤油作为推进剂，比冲高，推力大，工作时间长，在大型运载火箭上得到广泛应用。
涡轮泵作为液体火箭发动机的核心部件，在高转速的环境下工作易导致涡轮泵内出现空化，影响液体火箭发动机的可靠性[1-5]。
空化作为水力机械中经常出现的一种现象，会造成水力机械性能明显降低[6]，材料表面破坏，引起振动和噪声等[7-8]。
空化对动态响应特性的改变会使流动内部出现不稳定性，多个国家在研究液体火箭发动机涡轮泵时都碰到过空化不稳定带来的问题乃至事故。
例如，在日本H-2火箭的第8次发射中，空化不稳定诱发的脉动频率与泵前导流叶片固有频率相近，引起共振导致叶片疲劳断裂，转子失衡及摩擦，并最终导致发动机停机发射失败。
为了减小空化不稳定带来的危害，各国学者做了多方面研究[9]。
由于水力机械几何过于复杂，便从较为简单的水翼非定常空化入手。
时素果等[10]研究了热力学效应对空化水动力脉动特性的影响，得到了水翼升力在非定常空化阶段的特征频率。
Wang等[11]研究了附着空化流动，对空化初生进行了探究。
Leroux等[12]对水翼的云状空化进行研究，发现翼型表面不同位置压强随时间变化不同，得到云状空化两种不同的动态特性。
尹必行等[13]采用试验研究与数值模拟相结合的方法研究绕水翼ys930的非定常空化流场结构，得到片状空化和云状空泡两个不同的阶段。
离心泵内部非定常空化流动特征的数值分析
离心泵内部非定常空化流动特征的数值分析杨敏官;孙鑫恺;高波;邵腾【摘要】运用完整空化模型和混合流体两相流模型,对比转数为130的离心泵流道内部的空化流动进行了定常及非定常的数值模拟.预测了叶轮流道内空化发生部位和发展程度,对蜗壳隔舌附近处流场的压力场进行了监测,得到了压力脉动的变化规律.结果表明:空化初生位于叶片背面进口边附近处,随着进口压力的降低,空泡分布区域及空泡体积分数不断扩大,当空化严重时,叶片工作面上会有空泡聚集;在叶轮的1个旋转周期中,单个叶片表面上的空化发展程度随叶轮与蜗壳相对位置的改变而发生规律性的变化;压力脉动频率存在明显离散特性,叶片通过频率下的脉动幅值较大;随着空化程度的发展,空化流动诱导泵流道内压力脉动幅值不断增加,并且两者存在相互对应关系.%Based on full cavitation model and mixed two-phase flow model, the steady and unsteady cavitating flow-passages in centrifugal pump with specific speed of 130 were numerically simulated. The region and the degree of cavitation in the centrifugal pump flow-passage were predicted. The characteristics of pressure fluctuation was achieved by monitoring the pressure fields around the volute tongue. The simulation results indicate that the cavitation generates at the suction side of blades near leading edge. The region of vapor extends and the volume fraction of vapor increases with the decreasing of total inlet pressure. The vapor appears on the pressure side of blades when the cavitation is deteriorated. The cavitation degree on each blade changes periodically with the change of relative position between impeller and volute. The frequency of pressure fluctuation shows obvious discrete characteristic with high blade passingfrequency amplitude. With the development of cavitation degree, the pressure fluctuation amplitude induced by cavitating flow in flow-passage is increased with a corresponding relationship.【期刊名称】《江苏大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(033)004【总页数】6页(P408-413)【关键词】离心泵;空化;非定常空化流动;压力脉动;频域分析【作者】杨敏官;孙鑫恺;高波;邵腾【作者单位】江苏大学能源与动力工程学院,江苏镇江 212013;江苏大学能源与动力工程学院,江苏镇江 212013;江苏大学能源与动力工程学院,江苏镇江212013;江苏大学能源与动力工程学院,江苏镇江 212013【正文语种】中文【中图分类】TH311泵叶轮内发生空化时液体的能量交换受到干扰和破坏，引起泵运行特性的改变、振动和噪声等一系列问题［1－3］．通常情况下，泵内空化现象不能被完全消除，只能通过各种方法尽可能减小空化造成的不利影响，因此，研究离心泵内部的空化流动对离心泵安全、稳定、高效运行具有重要意义．空化流动的本质是汽液两相流动，汽泡和液体之间有着很复杂的动量和能量交换关系［4］．随着计算机技术的发展和CFD技术的逐渐应用，数值模拟在空化流动的研究中也有了很大的进步，利用模拟可以预测泵流道内部空化发生部位和程度以及对能量性能造成的影响，对离心泵内空化流动的研究起着重要的作用［5－6］．对于现有的空化流动计算，以定常计算为主，未考虑叶片与蜗壳间的动静干涉，影响了计算结果的准确性［7－9］．笔者将比转数为130的单级离心泵作为研究对象，采用完整空化模型与混合流体两相流模型相结合，对不同工况下离心泵内部空化流动进行定常及非定常数值模拟，预测叶轮流道内空化发生部位和发展程度，得到泵运行过程中叶片位置发生变化时，叶片表面空化流场的变化情况，并对蜗壳隔舌附近处流场的压力脉动进行监测，获得泵内部压力脉动变化情况与空化流动之间的关联．1 离心泵基本参数研究用离心泵流量为48 m3·h－1，扬程为7．8 m，额定转速为1 450 r·min－1，比转数为 130，泵的效率为85%．根据离心泵各个部件的几何参数，建立了包括泵的进口段、叶轮及蜗壳内流道的几何模型．其中叶轮的进口直径为100 mm，叶轮外径为172mm，叶片数为6，蜗壳隔舌安放角为30°，泵出口直径为100 mm．图1为离心泵流道的三维造型图．图1 离心泵流道的三维造型图2 空化湍流基本原理及控制方程在运用 Fluent软件中，选用 A．K．Singhal等［10］研究的完整空化模型和混合流体两相流模型模拟离心泵内部的空化流动．该模型考虑了空化流动中的相变、空泡动力学、湍流压力脉动和流体中含有的不凝结性气体的影响．用混合流体两相流模型，假定在较小的空间尺度范围内，两相之间耦合强烈同时满足局部平衡条件，空泡相与液体相达到了动力平衡与扩散平衡，即可以认为流场内各处空泡相与液相的时均速度相等，具有相同的湍流扩散，可以把空泡相和液相同作为流体加以研究．这样就可以只需用同一组动量方程描述，从而在方程中的物理量为空泡相和液相的体积分数分布的平均量，在求解方程时得到的速度场由两相共用．利用完整的空化模型和混合流体两相流模型描述离心泵空化流动的连续性方程和动量方程如下: 混合流体相连续性方程为空泡相连续性方程为动量方程为式中:ρ为空泡相和液相形成的混合流体质量密度;v为混合流体的速度矢量;f为空泡相的质量分数;R e为水蒸气凝结率;p为静压力;μ为分子黏性系数;μt为湍流黏性系数．采用标准k－ε模型使空化湍流的控制方程组封闭．模型中的k和ε方程在形式上与单相流动相同，但是其中的变量均为混合流体的平均量．根据离心泵的实际运转情况，计算中的物理参数取水温为20℃时的值，其中水的饱和蒸汽压力pv=2．367 kPa，水－空泡表面张力σ =0．071 7 N·m－1．假定水中不凝结性气体的质量分数为1．5×10－5，计算中流场的压力均为绝对压力．3 数值计算方法和边界条件用SIMPLE算法实现速度和压力之间的耦合．利用图1所示离心泵流道三维模型作为数值计算的求解区域．利用Gambit软件划分网格，并用3种网格数对数值求解区域的网格无关性进行检验，在综合考虑计算精度和计算结果准确性的基础上，采用非结构化四面体单元对求解区域进行网格划分，流道的划分网格数为732 520，其中叶轮部分网格数为322 541．在计算求解区域的进口断面采用绝对速度进口，进口无预旋，在计算求解区域的出口断面给定出口绝对静压，流场中空泡相体积分数的初值均为0;固体壁面采用无滑移条件，湍流壁面采用壁面函数法处理．为了提高计算的收敛速度和稳定性，先进行单相定常流动计算，适当减小各求解变量的松弛因子，加载混合两相流模型及完全空化模型，对3种流量下多个工况点进行定常及非定常空化流动的计算．4 空化流动计算结果分析对3种流量下离心泵流道内空化流场进行数值计算，汽蚀性能曲线如图2所示，Q 为设计流量．图2 3种流量下离心泵汽蚀性能曲线4．1 设计流量下叶轮流道内空化流场分析选取设计流量下的进口压力逐渐降低的6个工况点，对叶轮流道内空化流场进行分析．图3为6个工况下叶轮流道内空泡体积分数φ分布情况．如图3a所示，空泡最初出现的部位为叶片背面进口边位置附近的低压区，是由于液流内气体析出和液相汽化所致，此时空泡体积分数较小．由图3a，c可以看出，随着进口压力的降低，叶片背面空泡分布区域明显扩大，叶片进口附近及叶片喉部靠前盖板附近处空泡体积分数明显增加．图3 不同工况下叶轮流道内空泡体积分数分布从图3c－d可以看出，位于叶片喉部的高体积分数空泡区域沿径向方向向外移动，到工况6时，如图3f所示，空泡体积分数在流道中部靠近叶轮前盖板处达到最大，此时空泡已经堵塞部分流道，空化现象严重，通过计算发现此时泵扬程及效率下降10%以上．不同部位处产生的空泡，随着液流向叶轮出口迁移，随着压力逐渐升高，空泡会在压力较高区域发生破裂，从图3可以看出，空泡体积分数在流道内某位置处时较大，在向径向方向延伸时突然减小，形成较大的梯度，这与该区域压力分布相对应，并且进口压力越低，空泡在流道内扩散的半径也越大．当空化现象严重时，叶片工作面上也会有空泡聚集．4．2 1．0Q下临界NPSH非定常计算结果分析选取离心泵在设计流量下临界NPSH值(泵扬程下降3%时对应NPSH)时的工况点进行非定常计算．泵在一个旋转周期T内的6个不同时刻叶片背面上的空泡体积分数分布，如图4所示．图4 不同时刻叶片背面空泡体积分数分布从图4可以看出，叶片旋转至不同位置时，背面空泡分布区域及体积分数值随时间的变化，这是由于离心泵内流道的非对称性所致．通过对离心泵3个旋转周期中叶片背面空化流场变化情况的监测，发现当叶片运动至图4a中叶片2所在位置附近时，也就是当叶片进口边接近于蜗壳第Ⅳ断面时，叶片背面空化区域以及空泡体积分数值均达到最小．叶片从此位置开始运动，在一个旋转周期中，叶片背面空化的发展程度经历了由弱变强，再由强变弱的过程．在上述变化过程中，虽然不同时刻叶片背面空泡分布情况有差异，但空化发展最严重的地方均位于叶片背面进口边附近．这是由于该区域内圆周速度及相对速度较大，从而进口压力损失及绕流引起的压降相应变大所致．在1个旋转周期中，空泡体积分数最大达到0．52，此时在叶片工作面进口边附近也出现明显的空泡区域，集中在叶片进口边靠前盖板附近的很小区域内，空泡的最大体积分数超过0．20，该时刻叶片表面沿径向方向空泡体积分数分布如图5所示．图5 叶片表面沿径向空泡体积分数分布从图5可以看出，空泡体积分数在叶片进口附近经历了急剧增大，再急剧减小的过程，最大值所在位置与叶片进口处空泡高体积分数空泡中心位置相对应．远离进口的区域，空泡体积分数的下降相对比较平缓．图5中叶片进口附近得到的均是离散的空泡体积分数，代表进口处空泡相体积分数分布很不均匀．在叶片出口附近处，空泡体积分数已降至0．05以下，此时液相已接近连续分布．由于叶片工作面压力明显大于背面，在叶片不同位置处，背面上的空泡体积分数始终大于工作面上的．单个叶片在6个连续的泵旋转周期内经过泵压水室流道内某一固定位置时其背面空化状况如图6所示．总体上可以看出，不同周期内叶片背面空泡分布区域形态相似，但图中红色区域即高体积分数空泡分布区域的面积有明显的差异．空化流动时，空泡会堵塞部分流道，导致相邻叶片流道中流速增加，进口处冲角减小，伴随着空化程度的增强，会加剧这种变化，空化程度减弱则相反;空泡在流道中沿叶片表面法线方向移动时，也会对相邻叶片流道内流速及进口处冲角产生影响．流速及冲角的变化引起该流道内空泡发展情况及运动趋势的变化，最终导致空泡体积分数分布的变化．此外，空泡的随机生成及溃灭也会对流场内空泡运动情况及空泡体积分数造成影响．因此，由于各叶片流道内空化流动间存在的复杂关联及空泡相本身具有的非定常随机变化的特性，致使单个叶片在不同旋转周期内经过压水室流道内同一位置时，叶片表面空泡体积分数分布存在差异．图6 不同周期内单个叶片经流道内同一位置处其背面空泡体积分数分布4．3 泵内部空化流场压力脉动特征分析为了说明泵内部压力场的脉动规律，对离心泵在设计流量下运行时流道内部压力脉动情况进行监测，监测点分布及各点处压力脉动情况，如图7所示，p0为静压，N为监测时间步数．由于叶片转动相位的差异，泵内静压分布呈周期性变化，这种变化规律在隔舌附近更为明显，由于叶轮与隔舌的动静干涉作用导致隔舌附近压力场波动较剧烈，这也是该区域成为泵内一个重要振动噪声源的主要原因．从图7可以看出，P1处也就是隔舌附近处的压力脉动幅值最大，计算中还对其他位置的多个点处压力脉动进行监测，通过对比发现，其压力脉动幅值均小于P1处的值．因此选取设计流量下多个工况点，对1个旋转周期内隔舌附近(监测点P1)压力脉动情况进行监测．将时域内的压力脉动通过FFT变换为频域内的压力信号，如图8所示，f为频率，p1为P1处压力脉动幅值．图7 监测点分布及各点处压力脉动情况图8 不同工况时的压力脉动频域图叶轮转速为1 450 r·min－1，故轴频为 24．17 Hz，叶片通过频率(简称叶频)为145 Hz，在流体压力脉动中，叶轮叶片对流体的影响频率应为叶频及其谐波，从图8可以看出，在不同工况下均是叶频下的脉动幅值较大，其次为叶频的二次谐波．在进口压力不断下降的过程中，叶频及其谐波下的压力脉动幅值均有不同程度的增加．监测点P1处压力脉动情况随NPSH变化情况如图9所示．p RMS为P1处压力脉动均方根．图9 压力脉动随NPSH变化情况从图9可以看出，压力脉动均方根值的变化趋势与145 Hz下压力脉动幅值变化趋势基本一致，也验证了叶片通过频率为压力脉动中的主要影响频率．NPSH下降初期，扬程H及压力脉动的变化情况均比较平缓，当NPSH下降到2．30 m时扬程H下降了3%．临界汽蚀点后NPSH由2．30 m变化到1．25 m过程中，p RMS以及各频率下压力脉动幅值上升速率明显加快．NPSH继续减小，由1．25 m变化到1．23 m的过程中，扬程H急剧下降，p RMS及压力脉动幅值急剧上升．泵内空化空蚀发展程度越严重，空化流动诱导隔舌附近处的压力脉动强度越大，在NPSH值减小的整个过程中，p RMS及各频率下压力脉动幅值的增加和扬程的减小趋势相对应．因此可以利用对泵流道内隔舌附近处压力脉动情况的监测，来判断泵内空化空蚀发展的程度．5 结论1)空化的初生位于叶片背面进口边附近处，随着进口压力的降低，空泡分布区域以及空泡体积分数不断扩大．当空化现象严重时，叶片工作面上也会有空泡聚集，主要发生在进口边靠前盖板附近．空化空蚀的发展最终会导致离心泵能量性能的下降．2)离心泵1个旋转周期中，单个叶片上空化程度会经历由弱变强，再由强变弱的过程，并且当叶片进口边接近蜗壳第Ⅳ断面时，叶片背面空化区域以及空泡体积分数均达到最小．单个叶片在不同旋转周期内经过压水室流道中同一位置时，叶片表面空泡体积分数分布存在一定差异．3)泵内空化发展程度越严重，空化流动诱导的压力脉动强度越大．在NPSH值减小的过程中，压力脉动均方根值p RMS及各频率下压力脉动幅值的增加与扬程的减小的趋势相对应．因此，可以利用对泵流道内隔舌附近处压力脉动情况的监测，来判断泵内空化空蚀发展的程度．参考文献(References)【相关文献】［1］Cˇudina M，Prezelj J．Detection of cavitation in situ operation of kineticpumps:Effect of cavitation on the characteristic discrete frequency component ［J］．Applied Acoustics，2009，70:1175 －1182．［2］Cˇudina M，Prezelj J．Detection of cavitation in operation of kinetic pumps:Use of discrete frequency tone in audible spectra［J］．Applied Acoustics，2009，70:540 － 546．［3］Tan C Z，Leong M S．An experimental study of cavitation detection in a centrifugal pump using envelope analysis［J］．Journal of System Design and Dynamics，2008，2(1):274－285．［4］王勇，刘厚林，袁寿其，等．离心泵内部空化特性的CFD 模拟［J］．排灌机械工程学报，2011，29(2):99 －103．Wang Yong，Liu 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空气动力学中的非定常流动数值模拟研究
空气动力学中的非定常流动数值模拟研究空气动力学是研究物体在空气中运动的力学学科，非定常流动数值模拟是其中非常重要的研究领域之一。
在过去的几十年里，非定常流动数值模拟已经成为了空气动力学研究的重要手段之一，对于许多行业和领域都具有重要的应用价值。
一、非定常流动数值模拟的意义和价值非定常流动是指在空气动力学中存在着时间上不稳定、空间上不均匀的气流现象。
这些气流现象通常包括了飞行器、汽车、船舶等物体运动中产生的涡旋、尾流等气流现象。
非定常流动数值模拟是一种通过数值模拟方法来研究这些气流现象的研究手段。
它可以帮助研究者了解非定常流动产生的机制和规律，进而对于减小气流阻力、提高效率、改进气动设计等方面具有重要的应用价值。
二、数值模拟的方法和技术在非定常流动数值模拟研究中，有许多数值模拟的方法和技术可供选择。
一般而言，这些方法和技术可以分为三类：欧拉方法、拉格朗日方法和欧拉-拉格朗日混合方法。
欧拉方法是以空气粒子在运动过程中所受到的作用力来计算空气流场的运动状态，它适用于基本上没有物体与空气之间的相互作用的流动。
拉格朗日方法则是用来研究物体运动时所产生的流动现象，例如在飞行器飞行时产生的尾流。
欧拉-拉格朗日混合方法则是将欧拉方法和拉格朗日方法相结合，既可以对欧拉方法适用的流动进行数值模拟，又可以对拉格朗日方法适用的流动进行数值模拟。
在非定常流动数值模拟的研究中，还会用到诸如贪吃蛇法、分叉皮带法、埃拉纳法等一系列基于无网格的数值模拟方法和技术。
这些方法和技术更具有灵活性和适用性，能够更加准确地描述非定常流动。
三、数值模拟在气象、航空航天等领域的应用非定常流动数值模拟在许多领域都具有广泛的应用，特别是在气象、航空航天等领域。
在气象研究中，非定常流动数值模拟可以帮助研究者更好地预测气象条件，从而为天气预报提供更加准确的数据。
在航空航天领域，非定常流动数值模拟不仅可以用来优化飞行器的设计，还可以帮助研究者了解飞机在高空飞行时遇到的各种气流现象，从而增强飞行安全。
非定常空化流动研究现状与进展
第Ｖｏ３ｌ．６３卷６ 第Ｎ１ｏ．期１
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４－８５３０．１７．００９４
非定常空化流动研究现状与进展
黄彪１，吴钦１，２ ，王国玉１
（１．北京理工大学机械与车辆学院，北京 １０００８１；２．清华大学热能工程系，北京 １０００８４）
黄彪
摘要：针对非定常空化流动数值计算模型，总结了不同气液相间传输模型对模拟空穴发展和空 泡脱落过程的影响，发 现 不 同 空 化 模 型 对 于 非 定 常 空 化 流 场 的 不 同 区 域 的 预 测 有 着 明 显 的 差 异．建立了一种基于混合密度分域的空化流动计算模型，合理预测了空泡脱落时刻翼型尾部的 不稳定脉动区．通过考虑空化流动的湍流多尺度与多相局部可压缩特性，提出了一种基于混合 密度分域的混合湍流模型，预测结果与试验结果吻合更好．综合回顾试验与数值计算方面的研 究工作，围绕空化流动特性与动力学问题，主要从非定常流场空穴形态、流动结构、空化流体动 力等几个方面对非定常空化流动机理及相应研究成果进行了较为详细地评述和讨论．最后，基 于非定常空化研究的发展趋势和进一步研究可能面临的突出问题，对非定常空化流动研究的发 展方向进行了探讨与展望． 关键词：非定常空化；试验测试技术；数值计算模型；空化流动机理 中图分类号：Ｓ２７７．９；Ｏ３５２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７４－８５３０（２０１８）０１－０００１－１４
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｖｉｅｗｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｓｆｏｒｕｎｓｔｅａｄｙｃａｖｉｔａｔｉｎｇｆｌｏｗｓ，ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｏｆｍａｓｓ ｔｒａｎｓｆｅｒｍｏｄｅｌｂｅｔｗｅｅｎｌｉｑｕｉｄａｎｄｖａｐｏｒｐｈａｓｅｓｏｎｃａｖｉｔｙｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄｖｏｒｔｅｘｓｈｅｄｄｉｎｇｗｅｒｅｓｕｍ ｍａｒｉｚｅｄ．Ｉｔｗａｓｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄｔｈａｔｃａｖｉｔａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｓｃｏｕｌｄｐｒｏｄｕｃｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｓｉｎｄｉｆ ｆｅｒｅｎｔｃａｖｉｔｙｒｅｇｉｍｅｓ．Ａｄｅｎｓｉｔｙｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｂａｓｅｄｃａｖｉｔａｔｉｏｎｍｏｄｅｌ（ＤＣＣＭ）ｈａｄｂｅｅｎｐｒｏｐｏｓｅｄｉｎｏｕｒ ｇｒｏｕｐ，ａｓａｒｅｓｕｌｔ，ｔｈｅｕｎｓｔｅａｄｙｐｒｅｓｓｕｒｅｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｉｎｔｈｅｗａｋｅｏｆａｈｙｄｒｏｆｏｉｌｗｅｒｅｐｒｅ ｄｉｃｔｅｄｒｅａｓｏｎａｂｌｙｗｅｌｌ．Ｂｙｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｍｕｌｔｉｓｃａｌｅｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｌｏｃａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｉｂｉｌｉｔｙ，ａ ｆｉｌｔｅｒｂａｓｅｄｄｅｎｓｉｔｙｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅｍｏｄｅｌ（ＦＤＣＴＭ）ｗａｓｐｕｔｆｏｒｗａｒｄａｎｄａｂｅｔｔｅｒｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｗａｓ ａｃｈｉｅｖｅｄａｇａｉｎｓｔｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａ．Ｆｕｒｔｈｅｒ，ｕｎｓｔｅａｄｙｃａｖｉｔａｔｉｎｇｆｌｏｗｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｗｅｒｅｒｅｖｉｅｗｅｄａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄｉｎｄｅｔａｉｌｂａｓｅｄｏｎｅｘｉｓｔｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｅｆｆｏｒｔｓｏｎｓｕｃｈｆｌｏｗｓｂｙａｃｃｏｕｎｔｉｎｇｆｏｒ ｃａｖｉｔｙｓｈａｐｅ，ｆｌｏｗｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｆｏｒｃｅｆｒｏｍ ａｃａｖｉｔａｔｉｎｇｆｌｏｗｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃａｎｄｈｙｄｒｏｄｙ ｎａｍｉｃｓｐｏｉｎｔｏｆｖｉｅｗ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｅｎｄｅｎｃｙｏｆｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｉｎｔｏｕｎｓｔｅａｄｙｃａｖｉ ｔａｔｉｎｇｆｌｏｗｓａｎｄｉｍｐｏｒｔａｎｔｐｒｏｂｌｅｍｓｐｏｔｅｎｔｉａｌｌｙｅｎｃｏｕｎｔｅｒｅｄｉｎｓｕｃｈａｒｅｓｅａｒｃｈ，ｓｐｅｃｉｆｉｃｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓｗｅｒｅｄｅｂａｔｅｄａｎｄｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ．
第二届全国非定常空气动力学学术会议（6号宋体，居中）
请宣传张贴中国力学学会流固耦合力学专业委员会非定常气动力专业组第二届全国非定常空气动力学学术会议征文通知各有关单位专家：随着我国航空航天事业的迅速发展，先进飞行器对非定常气动力技术的要求越来越高，非定常空气动力学研究面临着前所未有的发展机遇与挑战。
为发挥各高等院校、科研院所的专家群体作用，加强非定常空气动力学领域内的学术交流和人才培养，进一步推动深化研究工作，中国力学学会流固耦合力学专业委员会、非定常气动力专业组拟定于2014年7 月初在河南南阳召开第二届“全国非定常空气动力学学术会议”。
本届会议由中国航天空气动力技术研究院承办。
会议将集国内从事和关注非定常空气动力学领域的专家学者和界人士于一堂，广泛开展学术交流，共同促进专业领域的创新和发展。
诚邀国内从事非定常气动力领域和相关交叉学科领域研究的各专家学者、在校研究生等踊跃投稿并参加会议。
一、征稿范围非定常空气动力学的新原理、新概念、新方法研究非定常气动力建模技术非定常数值模拟方法非定常仿真技术非定常试验理论和方法动态气动力风洞试验技术流动显示与控制技术其他非定常空气动力学相关问题凡符合上述会议内容及要求的论文、综述等均可赐稿。
二、征稿要求1.论文要求：(1)论文内容与会议主题相符，概念清楚，观点鲜明，内容详实，能反映作者近期的研究进展和成果。
(2)稿件内容完整，包括标题、作者、单位及通讯地址、摘要、关键词、正文、参考文献、作者简介等。
全文一般不超过6000字。
(3)请自留底稿，会议组一般不退还来稿。
(4)论文以“word”文档保存，具体格式参照会议论文格式要求（见附件）。
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汽车冷却水泵小流量工况下非定常空化特性研究
汽车冷却水泵小流量工况下非定常空化特性研究周晓红;曾维友;陈伟;罗时军;耿宁一【摘要】针对汽车冷却水泵的空化问题,对小流量工况下非定常空化特性及其对压力脉动的影响进行了研究.采用SST k-ω湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri(ZGB)空化模型,对水泵在典型空化状态下的流场进行了数值模拟研究,得到了小流量工况下叶轮内的非定常空化流动特征和空泡的时空演变规律;对蜗壳上的压力脉动进行了频谱分析,得到了不同空化条件对压力脉动的影响;通过泵的空化实验,对数值模拟结果进行了验证.研究结果表明:随着空化余量的减小,各监测点压力脉动峰的峰值和主频幅值逐渐增大,特别是隔舌位置处的压力脉动变化最为显著;泵内的空泡表现为不对称分布,主要集中在叶片前缘位置以及后盖板靠近叶轮进口位置,并随着空化的加剧,空泡体积分数逐渐增大.【期刊名称】《机电工程》【年(卷),期】2019(036)008【总页数】7页(P777-782,790)【关键词】汽车冷却水泵;非定常流动;空化特性;压力脉动;流场分析;数值模拟【作者】周晓红;曾维友;陈伟;罗时军;耿宁一【作者单位】湖北汽车工业学院理学院,湖北十堰442002;湖北汽车工业学院理学院,湖北十堰442002;湖北汽车工业学院理学院,湖北十堰442002;湖北汽车工业学院理学院,湖北十堰442002;浙江省地质矿产研究所,浙江杭州310007【正文语种】中文【中图分类】TH301;U464.138+.10 引言汽车冷却水泵是发动机冷却循环系统中的主要部件，具有体积小、结构复杂、转速变化范围广等特点，其作用是将发动机相关部件的机械能转化为压力能，从而实现冷却液的循环流动[1-4]。
由于汽车冷却水泵结构的复杂性与特殊性，容易发生空化、振动以及噪声，同时也易诱发高幅值的压力脉动，影响整个冷却系统的安全稳定性。
空化不仅会腐蚀过流部件，空泡溃灭时会产生振动，从而诱发脉动产生噪声，严重时汽车冷却水泵还会损坏[5-8]。
空化特性研究进展
建模 开始 的 。Ｒ ｙ ｉ （９７ 最 早对 空 化 现 象 进 ａｌ ｇ ｅ ｈ １１ ）
行 了理论研 究 ， 立 了不 可 压 缩 流体 中理 想 球 形 空 建
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力机 械效 应 降 低 、 引起 空 蚀 、 辐 射 空 化 噪声 影 响 因 水 中兵器 安全 等等 Ｊ也 可能 变 害 为 利 、 人所 用 ， ， 为 比如将 空化 应用 于 清洗 、 切割 、 破碎 物 件 ， 高 石 油 提 钻井 钻 速 ， 善 材 料 表 面 性 能 、 程 强 化 等 等 ［ 。 改 过 为 了避 免空 化可 能 带来 的危 害 ， 同时 在某 些 场 合 合
理 利用 空化 ， 们 对 空 泡 运 动 特 性 、 化 机 理 等 进 人 空 行 了深 入 地 研 究 。本 文 从 空 泡 运 动 方 程 、 论 分 理
泡的径向运动方程——Ｒｙ 方程： ａｌ ｈ ｅ Ｒ尺＋ ÷尺 ＝
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Ｒ ｙｅ ｈ方 程 的 建 立 为 空 泡 动 力 学 的 发 ａｌ ｇ ｉ
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展 奠定 了基 础 。然 而 ， 由于 Ｒ ｙｅ ｈ方 程 忽 略 Байду номын сангаас含 ａｌｉ ｇ
气 量 、 面 张力 和 压 缩 性 等 因素 对 空 泡 运 动 的影 表 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 ， 表 面 的 泡
第 １ １卷
第２ ７期
２ １ ９月 ０ １年
科
学
技
术
与
绕水翼非定常空化流动的涡动力学分析
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｕ ｎ ｓ ｔ ｅ ａ ｄ ｙ ｃ ａ ｖ ｉ ｔ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ｌ ｆ ｏ ｗ ｓ ａ ｒ ｏ ｕ ｎ ｄ ａ ｈ ｙ ｄ ｒ ｏ ｆ ｏ ｉ ｌ ａ ｒ ｅ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ．Ｖｏ ｒ ｔ ｅ ｘ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ｓ ａ ｒ ｅ ｕ ｓ ｅ ｄ ｔ ｏ ａ ｎ ａ ． １ ｙ ｚ ｅ ｔ ｈ ｅ ｆ ｌ ｏ ｗ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ． Ｌ ｏ ｃ ａ ｌ ｓ ｗｉ ｒ ｌ ｉ ｎ ｇ ｃ ｏ ｒ ｒ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｔ ｕ ｒ ｂ ｕ ｌ ｅ ｎ ｃ ｅ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｉ ｓ ａ ｄ ｏ ｐ ｔ ｅ ｄ ｔ ｏ ｃ ｌ ｏ ｓ ｅ ｔ ｈ ｅ ｇ ｏ ｖ ｅ ｒ ｎ ｉ ｎ ｇ ｅ ｑ ｕ ａ －
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ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ．Ｖａ ｌ ｉ ｄａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ＬＳ Ｃ ｔ ｕ ｒ ｂ ｕ ｌ ｅ ｎ ｃ ｅ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｃ ａ ｎ ｂ ｅ ｒ ｅ ａ ｃ ｈｅ ｄ ｃ ｏ ｍｐ ａ ｒ ｉ ｎ ｇ ｗｉ ｔ ｈ ｅ ｘ ｐｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎｔ ａ ｌ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ．Ｖｏ ｔｉ ｒ ｃ ｉ － ｔ ｙ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｐ ｏ ｒ ｔ ｅ ｑｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ａ ｒ ｅ ｃ ｏ ｎ ｄ ｕｃ ｔ ｅ ｄ ｔ ｏ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｆ ｌ ｕ ｅ ｎｃ ｅ ｏ ｆ ｃ ａ ｖ ｉ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｎ ｖ ｏ ｒ ｔ ｉ ｃ ｉ ｔ ｙ ｔ ｒ ａ ｎｓ ｐｏ ｒ ｔ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ．
船后螺旋桨非定常空化性能研究
船后螺旋桨非定常空化性能研究
随着提高船舶航行速度的需求，必将导致螺旋桨旋转速度的增加。
当螺旋桨表面压力降低到蒸汽压强时，将发生空化现象。
空化的发生影响螺旋桨的水动力性能，可以产生振动，空蚀，噪声等不良影响。
因此，预报螺旋桨的空化成为改善和提高螺旋桨的性能的重要基础。
目前，螺旋桨非定常空化数值模拟主要通过在桨前加伴流分布的方法，而此方法虽然在一定程度上可以表现出空化特征，但是由于没有考虑到船桨之间的相互干扰，导致流场计算存在一定的误差。
根据合适的网格划分和计算域的选择，可以将船体和螺旋桨进行整体建模计算尾流中的螺旋桨的空化性能。
本文以计算船后螺旋桨空化为目的，首先准确模拟不同型号的螺旋桨的定常和非定常水动力性能，预报了均匀伴流场中DTRC4119和DTRC4381螺旋桨的敞水性能，同时计算了DTRC4199螺旋桨剖面压力系数。
预报了Seiun-Maru HSP螺旋桨在非均匀伴流场中螺旋桨的非定常水动力性能。
求得螺旋桨的水动力系数，并与试验值进行比较。
其次，对二维水翼NACA66(mod)的定常空化和二维水翼NACA0012空化周期性脱落现象进行了计算，并计算了螺旋桨DTRC4381的定常空化性能，证明数值模拟方法的可行性。
对KCS船体和KP505螺旋桨整体建模计算了船体伴流场和船桨干扰现象，讨论了船体和螺旋桨之间的非定常相互干扰性能以及船体表面的压力分布，对船体和螺旋桨的阻力性能进行了分析。
最后，应用船桨干扰计算模型计算船后螺旋桨的非定常空化性能，分析了网格布置疏密及不同空化数对螺旋桨空化覆盖面积和螺旋桨阻力和效率的影响，同时讨论了桨前速度分布及压力分布情况。
空化模型在非定常空化流动计算的应用评价与分析
空化模型在非定常空化流动计算的应用评价与分析黄彪;王国玉;张博;时素果【摘要】To investigate the application of the Kubota and Singhal cavitation models for unsteady cavitat-ing flows, the cloud cavitating flow around a Clark-Y foil is numerically simulated by using the two cavitation models, respectively. The predictive capability of the two cavitation models is assessed with experimental results of the cavity flow structure, including the average velocity and vorticity. It is shown that the results based on the Singhal model are more accordant with the experimental phenomenon. The Singhal model can capture the detailed process of the vortex shedding in the rear part of the cavitation region, which is observed in the experiment.%文章基于试验观测数据评价了Kubota与Singhal两种空化模型在非定常云状空化流动数值模拟中的应用.采用商业软件的二次开发技术将两种空化模型引入了计算软件,针对绕Clark-Y水翼的云状空化流动进行数值计算,并与水洞试验结果进行了对比.结果表明,两种空化模型计算的云状空化阶段的流场时均速度分布以及涡量分布具有明显的不同.采用Singhal空化模型可以得到和试验观测更加相近的空化旋涡区与空泡云的旋涡分离的脱落形式.【期刊名称】《船舶力学》【年(卷),期】2011(015)011【总页数】8页(P1195-1202)【关键词】空化模型;云状空化;旋涡特性【作者】黄彪;王国玉;张博;时素果【作者单位】北京理工大学机械与车辆工程学院,北京 100081;北京理工大学机械与车辆工程学院,北京 100081;北京理工大学机械与车辆工程学院,北京 100081;北京理工大学机械与车辆工程学院,北京 100081【正文语种】中文【中图分类】TV131.321 引言空化现象不仅和汽液相变过程相关，还涉及到汽液两相的大规模旋涡运动，是一种复杂的非定常多相湍流流动。
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。
轴对称航行体通气云状空化非定常特征研究
轴对称航行体通气云状空化非定常特征研究于娴娴;王一伟;黄晨光;杜特专【摘要】物体在水下高速运动时会在局部区域产生低压而引起空化流动。
在预期的空化区域通入气体是调节和控制空化流动的重要手段。
文章基于水下水平发射装置观察了轴对称航行体通气空化的非定常演化现象并进行了相应的数值模拟，分析了演化过程和机制，探讨了通气量等主要参数的影响规律。
研究表明，从边界层衍生的二次涡切断主涡涡面使尾部主涡脱离是空泡脱落的主要原因；此外，随着通气量的增加，空泡长度和厚度有所增加，脱落位置逐步后移。
%Based on a SHPB launch system, an underwater launching experiment of symmetrical bodies is per-formed and unsteady phenomena are observed. Corresponding numerical simulation is carried out through the commercial software Fluent. The results indicate that the main vortex sheet is cut off by the secondary vortex derived from the boundary layer which leads to the cavity shedding. As the volume of ventilated gas increases, the shedding location moves far away from the injection nozzles, and the length and thickness increase.【期刊名称】《船舶力学》【年(卷),期】2014(000)005【总页数】8页(P499-506)【关键词】通气空化;空泡脱落;二次涡;通气量影响【作者】于娴娴;王一伟;黄晨光;杜特专【作者单位】中国科学院力学研究所，北京100190;中国科学院力学研究所，北京100190;中国科学院力学研究所，北京100190;中国科学院力学研究所，北京100190【正文语种】中文【中图分类】O35;TV131.3+2当航行体在水下高速运动时，航行体周围局部区域的压力会低于饱和蒸汽压，导致水发生汽化，生成汽泡，即产生空化现象。
旋涡空化水动力学特性研究进展与展望
旋涡空化水动力学特性研究进展与展望
程怀玉;季斌;龙新平;彭晓星
【期刊名称】《力学进展》
【年(卷),期】2024(54)1
【摘要】涡空化作为一种在推进器叶顶涡心处产生的空化现象,在推进器原型上往往最早出现,其一旦发生将会严重影响舰艇的声隐身性能(噪声增加10 dB以上),在很大程度上限制了舰艇临界航速的进一步提升,因而长期以来一直是空化水动力学领域研究的重点与难点课题之一.本文首先简要介绍了旋涡空化流动相较于其他形式空化流动的特点,并以梢涡空化为主要对象,系统阐述了旋涡空化初生、发展的演变行为与流动机理研究,从空化三要素的角度深入讨论了其影响因素与作用机制.在此基础上,本文分别对旋涡空化流动中尺度效应、流动控制等关键问题的相关研究进展进行了回顾,较为系统地梳理了旋涡空化尺度效应的内在原因以及旋涡空化流动控制方法与控制思路.最后,本文针对目前旋涡空化研究领域关注的重点与难点问题,对旋涡空化流动研究中采用的实验测量及数值模拟技术进行了总结与展望.【总页数】52页(P86-137)
【作者】程怀玉;季斌;龙新平;彭晓星
【作者单位】武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室;中国船舶科学研究中心船舶振动噪声重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】O352
【相关文献】
1.空化水动力学非定常特性研究进展及展望
2.绕水翼空化流场旋涡特性分析
3.绕振动水翼空化发展及水动力学特性研究
4.绕水翼超空化流发展及其旋涡特性的实验研究
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绕弹性水翼非定常空化流激振动特性研究_孟璐
验设备简图如图 1 所示，该设备主要由实验段、进
水管、回水管、真空控制系统等组成。实验前，使
储水池水充满管道形成封闭系统。电机驱 1480 r/min，
额定功率 55 kW，管内可达最大流速为 20 m/s，为
了防止泵的振动对实验造成影响，将电机安装在实 验段下方 5 m 处。实验段上游安装有容积为 11 m3
刘影(1964―)，女，山东人，副教授，学士，硕导，从事流体机械研究(E-mail:liuyingm@)； 高远(1990―)，男，山东人，硕士，从事流激振动研究(E-mail: gaoyuan_bitsme@)； 吴钦(1989―)，女，湖南长沙人，博士，从事流固耦合研究(E-mail: wuqin919@).
空穴的脉动以及空穴的脱落三个阶段；弹性水翼的振动主要受空穴发展过程的影响，因此流激振动特性呈现出周
期性的变化过程，且弹性水翼振动主导频率为空穴脱落频率；在不同的空穴发展阶段，表现出不同流激振动特性，
并且在空穴脉动和空泡脱落阶段水翼振动较为剧烈。
关键词：弹性水翼；云状空化；准周期；流激振动；频率
中图分类号：O35 文献标志码：A
摘 要：该文通过实验和数值计算相结合的方法，对弹性水翼非定常空化流激振动特性进行了研究。实验中，采
用高速摄像机获取云状空化不同发展阶段的流动发展规律，应用激光测振仪测量弹性水翼的流激振动特性，通过
同步测量技术获取水翼振动特性数据并结合空穴形态图对其进行分析，同时在实验结果基础上加入数值计算部分
对流激振动特性进行进一步的说明。研究结果表明：云状空穴的发展为一个准周期过程，包括附着型空穴的生长、
空化是水力机械及船舶领域中常见现象，空化 的发生通常会带来一系列问题，诸如设备运行特性 发生往往伴随空穴的生成、空泡脱落溃灭以及水动 改变、性能下降、振动、噪声等[1]。在相关领域中， 力载荷的复杂变化等过程，因此工程实践中，空化 工程塑料以及复合材料的应用越来越广泛[2]，由于
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
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+ 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
基于PANS模型的水翼非定常空化特性研究_施卫东
Ｖ ｏ ｌ ． ４ ２Ｎ ｏ ． ４ ｒ ． ０ １ ４ Ａ ２ ｐ
： ／ Ｄ Ｏ Ｉ １ ０． １ ３ ２ ４ ５ ． ｈ ｕ ｓ ｔ ． １ ４ ０ ４ ０ １ ｊ
基于 Ｐ Ａ Ｎ Ｓ 模型的水翼非定常空化特性研究
施卫东 张光建 张德胜
（ ） 江苏大学流体机械工程技术研究中心 ，江苏 镇江 ２ １ ２ ０ １ ３
·２·
华 中 科 技 大 学 学 报 （ 自 然 科 学 版）
第４ ２卷
空化模型通过二 次 开 发 技 术 耦 合 到 同 一 平 台 上 ， 数值模拟 了 绕 Ｃ ｌ ａ ｒ ｋ －ｙ 型 水 翼 的 云 状 空 化 流 动 ， 发现这几种空化模型均能清楚地描述云状空化的 产生 －发展 －脱落 的 准 周 期 性 变 化 ， 只是在描述空 ］ 文献 ［ 在Ｒ 泡脱落细节时有一定的差异 ． ９ ＮＧｋ － ε 模型的基础上考 虑 了 水 气 混 合 物 的 可 压 缩 性 ， 减 小了湍流黏度 ， 获得了令人满意的数值预测结果 ． 随着计算技术 的 发 展 ， 大涡模拟（ 开始在非 Ｌ Ｅ Ｓ） 然而大涡模拟的 定常的空化流计 算 中 得 到 应 用 ， 结果与网格关系 很 大 ， 很难得到一个网格无关性 文献［ 提出了一种桥接 Ｒ ． １ １］ ＡＮ Ｓ和 Ｌ Ｅ Ｓ ， 的滤 波 器 模 型 （ 降低了计算对网格的要 Ｆ ＢＭ ）
Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ａ ｖ ｉ ｔ ａ ｔ ｉ ｎ ｔ ｕ ｒ ｂ ｕ ｌ ｅ ｎ ｔ ｆ ｌ ｏ ｗ ａ ｒ ｏ ｕ ｎ ｄ ａ ２ ＤＣ ｌ ａ ｒ ｋ ｈ ｄ ｒ ｏ ｆ ｏ ｉ ｌ ｗ ａ ｓ ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ｕ ｓ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ Ｐ ａ ｒ ｔ ｉ ａ ｌ ｌ Ｃ －ｙ － ｇ ｙ ｇ ｙ （ ） Ａ ｖ ｅ ｒ ａ ｅ ｄ Ｎ ａ ｖ ｉ ｅ ｒ Ｓ ｔ ｏ ｋ ｅ ｓ Ｐ ＡＮ Ｓ ｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ． Ｔ ｈ ｅ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｏ ｆ ａ ｍ ａ ｘ ｉ ｍ ｕ ｍ ｄ ｅ ｎ ｓ ｉ ｔ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｂ ｅ ｔ ｗ ｅ ｅ ｎ ｔ ｈ ｅ ｌ ｉ ｕ ｉ ｄ － ｇ ｙ ｑ ， ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｖ ａ ｏ ｒ ｏ ｎ ｃ ａ ｖ ｉ ｔ ａ ｔ ｉ ｎ ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｎ Ｐ ＡＮ Ｓ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｏ ｎ ａ ｒ ａ ｍ ｅ ｔ ｅ ｒ ｐ ｇ ｐ ｆ ｋｉ ｔ ｈ ｅ ｃ ｌ ｏ ｕ ｄ ｃ ａ ｖ ｉ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ｓ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｅ ｖ ｏ ｌ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｃ ａ ｖ ｉ ｔ ｓ ｈ ａ ｅ ａ ｎ ｄ ｌ ｉ ｆ ｔ ｃ ｏ ｅ ｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｔ ｄ ｕ ｒ ｉ ｎ ｃ ｌ ｏ ｕ ｄ ｃ ａ ｖ ｉ ｔ ａ － ｙ ｙ ｐ ｇ ｔ ｉ ｏ ｎ ｗ ｅ ｒ ｅ ｉ ｎ ｖ ｅ ｓ ｔ ｉ ａ ｔ ｅ ｄ ． Ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｍ ａ ｘ ｉ ｍ ｕ ｍ ｄ ｅ ｎ ｓ ｉ ｔ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｉ ｎ ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ ｍ ａ ｓ ｓ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｆ ｅ ｒ ｒ ａ ｔ ｅ ｇ ｙ ｂ ｅ ｔ ｗ ｅ ｅ ｎ ｔ ｈ ｅ ｌ ｉ ｕ ｉ ｄ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｖ ａ ｏ ｒ ． Ｔ ｈ ｅ ａ ｃ ｃ ｕ ｒ ａ ｃ ｏ ｆ ｎ ｕ ｍ ｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｒ ｅ ｄ ｉ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ａ ｎ ｂ ｅ ｒ ｅ ａ ｔ ｌ ｉ ｍ ｒ ｏ ｖ ｅ ｄ ｂ ｉ ｎ － ｑ ｐ ｙ ｐ ｇ ｙ ｐ ｙ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｍ ａ ｘ ｉ ｍ ｕ ｍ ｄ ｅ ｎ ｓ ｉ ｔ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ．Ｗ ｉ ｔ ｈ ｄ ｅ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｄ ｉ ｃ ｔ ｅ ｄ ｃ ａ ｖ ｉ ｔ ａ ｔ ｉ ｎ ｆ ｌ ｏ ｗ ｂ Ｐ ＡＮ Ｓ ｍ ｏ ｄ － ｇ ｙ ｇ ｐ ｇ ｙ ｆ ｋ， ｅ ｌ ｂ ｅ ｃ ｏ ｍ ｅ ｓ ｕ ｎ ｓ ｔ ｅ ａ ｄ ｄ ｕ ｅ ｔ ｏ ｒ ｅ ｓ ｏ ｌ ｖ ｉ ｎ ｍ ｏ ｒ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｔ ｕ ｒ ｂ ｕ ｌ ｅ ｎ ｔ ｓ ｃ ａ ｌ ｅ ｓ ． Ｔ ｈ ｅ ｅ ｖ ｏ ｌ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｌ ｉ ｆ ｔ ｃ ｏ ｅ ｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｔ ｙ ｇ ， ｄ ｕ ｒ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｃ ｌ ｏ ｕ ｄ ｃ ａ ｖ ｉ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｓ ｖ ｅ ｒ ｃ ｏ ｍ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ｄ ｒ ａ ｍ ａ ｔ ｉ ｃ ｂ ｅ ｃ ａ ｕ ｓ ｅ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｓ ｈ ｅ ｄ ｄ ｉ ｎ ｃ ｌ ｏ ｕ ｄ ｃ ａ ｖ ｉ ｔ ｉ ｓ ｇ ｙ ｐ ｇ ｙ ｖ ｅ ｒ ｕ ｎ ｓ ｔ ｅ ａ ｄ ． Ｔ ｈ ｅ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ｔ ｉ ｍ ｅ ａ ｖ ｅ ｒ ａ ｅ ｄ ｌ ｉ ｆ ｔ ｃ ｏ ｅ ｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｔ ｉ ｓ ０． ７ ０ ８，ｗ ｈ ｉ ｃ ｈ ｉ ｓ ａ ｂ ｏ ｕ ｔ ７％ ｌ ｏ ｗ ｅ ｒ ｔ ｈ ａ ｎ ｙ ｙ ｇ ｔ ｈ ｅ ｅ ｘ ｅ ｒ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｌ ｍ ｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｄ ｖ ａ ｌ ｕ ｅ ｏ ｆ ０． ７ ６ ０．Ｔ ｈ ｅ ｖ ｏ ｒ ｔ ｅ ｘ ａ ｉ ｒ ｗ ｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｏ ｏ ｓ ｉ ｔ ｅ ｒ ｏ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｄ ｉ ｒ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｙ ｐ ｐ ｐ ｃ ａ ｕ ｓ ｅ ｄ ｂ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｂ ｅ ｔ ｗ ｅ ｅ ｎ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｅ ｎ ｔ ｒ ａ ｎ ｔ ａ ｎ ｄ ｍ ａ ｉ ｎ ｆ ｌ ｏ ｗ ｉ ｓ ｔ ｈ ｅ ｍ ａ ｉ ｎ ｔ ｒ ｉ ｅ ｒ ｏ ｆ ｃ ｌ ｏ ｕ ｄ ｃ ａ ｖ ｉ ｔ ． ｙ ｇ ｇ ｙ ； ； ； ； Ｋ ｅ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ａ ｖ ｉ ｔ ａ ｔ ｉ ｎ ｆ ｌ ｏ ｗ； ｈ ｄ ｒ ｏ ｆ ｏ ｉ ｌ ｔ ｕ ｒ ｂ ｕ ｌ ｅ ｎ ｃ ｅ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｃ ａ ｖ ｉ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｒ ｅ ｅ ｎ ｔ ｒ ａ ｎ ｔ ｅ ｔ ｖ ｏ ｒ ｔ ｅ ｘ ａ ｉ ｒ ｃ ｊ ｐ ｇ ｙ ｙ 非定常和多尺度湍流 空化是一种 涉 及 相 变 、 ， 的复杂现象 许多 学 者 从 实 验 和 数 值 计 （
绕平头回转体非定常空化流体动力特性研究
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引
最重要的流动现象之一，由非定常空化引起的空泡的
仁ｊ
产生、脱落和溃灭是影响水下航行体航行特性的直接 因素。针对水下航行体，研究绕轴对称体的空化流动 问题具有十分重要的工程价值。
早在１９４８年，Ｒｏｕｓｅ Ｈ和ＭｃＮｏｗｎ Ｊ ＳＥｌ ３等人对
随着水下航行体的航行速度增大，航行体表面或 尾流区域的局部压力降低到饱和蒸汽压时，液相介质 发生汽化，形成空穴，空化现象是航行体水下绕流中
Ｂｉａ０１，ＷＡＮＧ Ｇｕｏ—ｙｕｌ，ＱＵＡＮ
（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｖｅｈｉｃｕｌａｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ
１０００８１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ Ｓｙｓｔｅｍ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ
关键词：空化；回转体；时域分析；频域分析；非定常流 中图分类号：０３５２．＋Ｉ 文献标识码：Ａ
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ｃａｐｔｕｒｅｄ．Ｔｈｅ
ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｎｕｍｂｅｒｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ；ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｂｏｄｙ；ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｍａｉｎ ｕｎｓｔｅａｄｙ ｆｌｏｗ ａｎａｌｙｓｉｓ；
绕水翼非定常空化流场的实验研究
交换 ， 非定 常流 动 等多 种 复 杂 流动 现 象 。空 化 现象 在 许 多水力 机械 中均有 发生 ， 如泵 ， 诸 喷嘴 ， 喷射器 ， 船舶 推进 器 以 及 水 翼 等 ， 此 ， 究 非 定 常 空 化 因 研
收 稿 日期 ： ０ ０—０ ２ ２１ ８— ９
基 金 项 目 ：国 家 自然科 学 基金 项 目（０ ７ ０ ４ ５９ ９ ０ ）
作 者 简 介 ：黄 彪 （ ９ ５ ） 男 ， 士 。Ｅ ｍａ ：ｈ ａ ｇ ｉ ＠ ｂｔｅ ｕ ｃ １８ 一 ， 博 — ｉ ｕｎｂａ ｌ ｏ ｉ ｄ ．ｎ ．
第３卷 ３
０ 引言
当液体 内部 的局部 压强 降低 到液体 的汽化 压强
以下 时 ， 均质液 体 内部 或液 固交 界 面上 就 会 产 生 在 蒸 汽或 气体 的空 穴 （ 泡 ） 这 种 现 象 称 为 空 化 ， 空 ， 空 化 是涉 及到 多相 流 、 流 、 液相 之间 的质量 与动量 湍 汽
ｆｅ ｄ ． Ｔｈ ｘ ｅ ｉ ｎ ｅ ｕ ｔ ｈ ｗ ｈ ｔ ｆ ｓｌ ｗｉｈ ｔ ｄ ｃ ｅ ｓ ｏ ｈ ｃ ｖｔｔｏ ｍｂ ｒ ｄ ｆ ｒ ｎ ｉｌ ｓ ｅ ｅ ｐ ｒｍｅ ｔｒ ｓ ｌｓ ｓ ｏ ｔ ａ ， ｉ ｔ ｒ ｙ， ｔ ｈｅ ｅ ｒ ａ ｅ ｆ ｔｅ ａ ｉａｉ ｎ ｎｕ ｅ ， ｉｆ ｅ ｔ ｅ ｌ ｗ ｓｒ ｃ ｕ ｅ ｃ ａ ａ ｔｒｓｉｓｃ ｎ ｂ ｂｓ ｒ ｅ ｎ ｔ ｅ ｃ ｖｔ ｉ ｗｓ ｏ ｎ ｔａ ｙ ｃｏ ｄ ｃ ｖｔ ｔｎ ｆｏ ｔｕ ｔ ｒ ｈ ｒ ｃｅ ｉｔｃ ａ ｅ ｏ ｅ ｖ ｄ ｉ ｈ ａ ｉ ｔ ｇ ｆｏ ，ｆｒｕ ｓｅ ｄ ｌ ｕ ａ ｉａｉ ｇ，ａ ｓ ｌ— ａ ｎ ｌ ｅｆ ｏ ｃｌａｉ ｎ ｂ ｈ ｖｏ ｆ ｔ ｅ ｗｈ ｌ ｓ ｅ ｔ ａ ｉａ ｉｎ ｓ ｏ ｔ ｉ ｅ ｓ ｉ ｔｏ ｅ ａ ｉｒ ｏ ｈ ｏｅ ｈ ｅ ｃ ｖｔｔｏ ｉ ｂ ａ ｎ ｄ， ｗｉ ａ ｇ ｅ ｇｈ ｆｕ ｔ ｔｏ ｓ ｎ ｖ ｐ ｒ ｌ ｔ ｌ ｒ ｅ ｌ ｎ ｔ ｃｕａｉｎ ａ ｄ ａ ｏ ｈ ｌ ｃ ｏ ｄ ｓ ｄ ｎｇ；ａ ｈ ｏ ｓｒ ｃｕ ｅｃ ａ ｇ ｓ ｈ ｒ ｒ ｂ ｉｕｓｄｆｅ ｅ ｃ ｓｂ ｔ ｅ ｈ ｅｏ ｉ ｉｔｉ ｕ— ｌｕ ｈｅ ｄｉ ｓｔ ｅ ｆ ｗ ｔｕ ｔ ｒ ｈ ｎ ｅ ，ｔ ｅ ｅ ａ ｅ ｏ ｖ ｏ ｉ ｒ ｎ ｅ ｅｗｅ ｎ ｔ ｅ ｖ ｌｃ ｔ ｄ ｓｒｂ ｌ ｆ ｙ ｔｏ ｓｏ ａ ｉ ｔ ｎ ｆｏ ｉ ｎ ｆｃ ｖｔ ｉ ｗｓ， ｔ ｅ ｉｈ－ ｕ ｔ ｔｎ ｅ ｉｎ ｗｉｈ ｌ ｗｅ ｅｏ ｉｙ ｇ ａ ｕ ｌｙ ｅ ｐａ ｄ ｔ ｈｅ ｅ ａ ｏ ｌ ｈ ｈ ｇ ｆ ｃｕａｉ ｇ ｒ ｇｏ ｔ ｏ ｒ ｖ ｌ ｃｔ ｒ ｄ ａｌ ｘ ｎ ｓ ｗｉｈ ｔ ｄ — ｌ ｃ ｅ ｓ ｆｃ ｖ ｔｔｏ ｕ ｒ ａ ｅ ｏ ａ ｉａｉｎ ｎ ｍｂｅ ，ａ ｄ ｔ ｅ ｌｗｅ ｅ ｏ ｉｙａ ｅ ｅ ａｅ ｏ ｔ ｅ ｃ ｖ ｔｔｏ ｒ ａ Ｉ ａ ｉｕ ｔ ｇ ｓｏ ｒ ｎ ｈ ｏ ｒｖ ｌｃ ｔ ｒ ａ ｒ ｌｔ ｓｔ ｈ ａ ｉａｉｎ ａ ｅ ． ｎ ｖ ｒｏ ｓｓａ ｅ ｆ
非定常空化流动及其诱导振动特性研究
非定常空化流动及其诱导振动特性研究流激振动问题在航空航天、能源、机械、生物工程等工业领域普遍存在,是影响结构系统安全、稳定、高效运行的重要因素。
随着我国海洋资源开发、航行器高速推进技术、水利水电事业的发展以及先进材料在海洋工程、船舶推进系统等工程领域的广泛应用,复杂流动中的流固耦合效应使湍流诱振、涡激诱振、空化两相流诱振、双列叶栅强尾迹干涉以及动静水力干涉等诱发的结构振动等问题更加凸显,流激振动导致的振动噪声、部件局部失稳或疲劳失效已成为影响水下发射技术精准性与稳定性、水力机组安全运行与寿命损耗的重要因素。
尤其当高速流场中局部压力下降至饱和蒸汽压发生空化时,由于汽液相变的存在,流体的脉动力作用增强,振动加剧,这显著加剧了流激振动问题的理论难度。
本文主要针对我国战略舰艇推进技术研究、水力机械安全稳定运行过程以及复合材料在上述领域的应用中亟需解决的水动力关键问题,研究了非定常空化流固耦合振动机理以及材料力学性能对流激振动特性的影响。
本文的主要研究内容及创新性成果如下:建立了非定常空化流动与结构流激振动多场同步实验测量平台,开展了系列空化流激振动实验研究。
基于空化水洞实验平台,综合运用高速摄像观察和激光多普勒振动测试技术,实现了非定常空化流场形态和结构场瞬态振动的同步定量精确测量与分析。
结合结构模态测试和瞬态振动信号分析与振动评价方法,获得了水翼结构的模态特性和绕水翼单相流动的流激共振特性。
建立了一种非定常空化流动流固耦合数值计算方法。
该方法在流场域,考虑汽液多相流可压缩特性和多相复杂流场边界层流动分离和转捩特性,发展了一种基于修正k-ωSST模型的?-Re?转捩湍流模型;在结构场,分解水翼的弯曲与扭转变形运动,建立了考虑水翼结构水弹性响应的结构动力学模型;提出了一种考虑流体附加作用力的混合耦合算法,进行流场作用力和结构场变形量的提取和相互传递,提高了数值计算的稳定性和精确性。
获得了流动参数、结构激励参数等对水动力作用下的结构稳定性的影响。
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空化水动力学非定常特性研究进展及展望季斌;程怀玉;黄彪;罗先武;彭晓星;龙新平【摘要】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.【期刊名称】《力学进展》【年(卷),期】2019(049)001【总页数】52页(P428-479)【关键词】空化;水动力学;空泡流;附着型空化;空化模型【作者】季斌;程怀玉;黄彪;罗先武;彭晓星;龙新平【作者单位】武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,武汉430072;武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,武汉430072;北京理工大学机械与车辆学院,北京100081;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;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;武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,武汉430072【正文语种】中文【中图分类】O3521 引言水动力学是一门研究水和其他液体的运动规律及其与边界相互作用的学科,与空气动力学一样,水动力学是流体力学的一个重要分支(刘桦等2007),在流体力学、甚至整个力学学科中均占据着非常重要的地位.空化作为水动力学的一种特有现象,包含了几乎所有的复杂流动问题,如湍流(王一伟等2012)、相变(潘森森1979)、可压缩流动(Ceccio 2009)等,一直是水动力学研究的重点、难点课题之一.一般认为,空化是一种因流体动力学因素作用而在液体内部或在液体与固体界面上发生的液体与其蒸汽的相变过程与现象(张博等2009,Arndt 2012,潘森森和彭晓星2013,高远等2015,Prosperetti 2017).对空化现象的认识和研究可追溯到19世纪.有记载的是Besant在1839年、Reynolds在1873年就已经开始在实验室对空化现象进行研究.1902年在英国Cobra号驱逐舰螺旋桨上首次发现空蚀损伤,接着在水工建筑物和水力机械上也发现了同样的现象.由于空化在水力机械中广泛存在,且通常会带来不利的影响(计志也1992,王一伟等2012),因而一直是研究人员关注的重点(Arndt 1981,2002,Aw et al.2016,Luo et al.2016,Zhang et al.2016,Zima 2016).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. 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降至饱和蒸汽压的区域.图1 几种典型的水翼空化绕流(Franc&Michel 2005).(a)游移空化,(b)片空化,(c)云空化,(d)超空化按空化的发展阶段划分.这种分类方式主要根据空化的表观进行分类,主要可以分为初生空化、片空化、云空化、超空化(Brennen 1995,Wang et al.2001).初生空化是指水中的微小气核在流场中低压的作用下出现的爆发性生长现象.初生的空化因周围压力与饱和蒸汽压比较接近,空化程度较轻,多为单个或多个的气泡.影响初生空化的因素繁多,一般认为,空化初生与当地压力(潘森森1979)、湍流强度(Arakeri2006)、气核分布(潘森森1985)及当地流动结构(Katz 1984)等密切相关,且各因素之间也会存在一定的相互影响,这使得人们对于空化初生的认识依然比较有限(Arakeri 1979).进一步降低空化数,空泡的数量逐渐增加并相互融合,形成片状结构,即为片空化,如图 1(b)所示.片空化具有较为明显的不稳定性,尾部会产生准周期性的生长脱落过程(何友声等1997).这一不稳定性随着空化数的降低会进一步得到加强,尾部的空泡脱落现象更为剧烈,形成云空化,如图1(c)所示.与片空化的较为清晰的汽液交界面不同,在云空化流动中,由于流动的不稳定性,其内部为含有大量微小液滴的汽液混合物,汽液交界面也变得十分模糊.云空化的发生使得伴随其发生的片空化行为更加具有准周期性,会经历完整的空化生长、脱落、溃灭过程,并会导致整个流场的流动结构也呈现出一定的准周期性,如压力脉动等,因而一直受到研究人员的关注.目前,对于其准周期性的行为,尤其是尾部脱落,主要有两种解释:反向射流理论和激波理论.云空化的长度会随着空化数的降低而生长,当空化数足够低时,云空化的尾部,即空化的闭合区将移至绕流固体的下游,即绕流物体的尾部完全包裹在空泡内,这种空化称之为超空化,如图1(d)所示.超空化因可将绕流物体完全包裹在气泡内部,隔绝了与外界液体的接触,因而可以显著减小绕流物体所受到的阻力,在军事、民用领域均具有很好的应用前景(曹伟等2006,赵新华等2009).片空化及其向下游发展形成的云空化一般统称为附着型空化.附着型空化演变规律非常复杂,且其在工程实际中最为常见,与工程实践联系最为紧密,其相关研究成果可以直接产生工程应用价值,相关的研究最为活跃(时素果等2011,阎超等2011,时素果和王国玉2012,赵宇等2014).因此,本文将以附着型空化为例,同时兼顾其他空化类型,介绍近年来空化流研究的进展及尚存在的问题.本文的主要结构如下:第2节对空化研究的相关实验技术发展进行介绍,在第3节对近年来空化数值模拟方面的研究进行总结,在第4章对空化研究中几个关键的科学问题进行阐述,最后在第5节对本文的主要内容进行总结,并对今后的发展方向提出建议.2 空化实验平台与实验技术进展2.1 空化实验平台水洞是空化实验的重要平台.1895年,Charles Parsons建造了世界上第一座空泡水筒(见图2),观察了空化发展过程,并通过增加螺旋桨盘面推迟空化初生,将船速从20节增加到了32.75节.目前,世界上已建成的水洞约200余座,分布于近30个国家的科研单位(徐海兵2004).其中以美国宾州大学超高速水洞流速最大,实验段流速可达83.8m/s.此外,宾州大学还拥有2座小型水洞,这些优良的实验平台使得该校在空化领域取得了诸多进展(McCormick 1962,Arndt&Ippen 1968,Lamson etal.1991,Meyer et al.1992).我国第一座水洞于1957年在上海建成,国内现在拥有水洞13座左右.其中北京理工大学王国玉、黄彪等利用其小型空化水洞对水翼空化进行了大量的实验研究,并且取得了较多成果(Huang et al.2014b,Wang etal.2015,Wu et al.2015).2013年,中国船舶科学研究中心颜开、彭晓星研究员等设计并建成了一个小型多功能高速空泡水洞,最高流速可达25m/s.该水洞配备了快速除气和播核装置,是目前国内唯一可以独立控制和测量水中溶解气体和自由气核的实验设备.该水洞还可在实验段上游安装来流振荡机构以获取非定常来流,是进行空化机理研究的理想设备.Peng等(2017)利用该水洞对梢涡空化的涡唱现象进行了深入实验研究与理论分析(见图3),指出涡唱现象是一种自然频率的共振问题,并且给出了涡唱频率的预测表达式.Song等(2017)则进一步提出了一个基于噪声水平的梢涡空化初生判断方法.彭晓星等还利用该水洞对比了不同含气量对空化的影响(见图4),其初步结果表明含气量对空化的脱落会产生较为明显的影响,随着水中含气量的降低,空泡的脱落频率逐渐减小.图2 Charles Parsons建造的世界上第一座空泡水筒及实验照片图3 不同状态的梢涡空化形态(Peng et al.2017).(a)涡唱发生前,(b)涡唱发生时,(c)涡唱发生后霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB)发射系统也是一类重要的空化实验研究平台,尤其是对于高速航行体水下发射水动力学问题的研究具有非常好的适用性(王一伟和黄晨光2018,Bustamante et al.2018,Wei et al.2011).中国科学院力学研究所搭建的SHPB发射系统可以在200µs内将发射物体从静止加速至30m/s,结合高速摄影、压力测量系统等测量方法,可以较为全面地对高速运动物体表面的空化绕流进行实验研究.Wang等(2012)基于该实验平台对通气空化的脱落机制进行了较为系统的研究与分析.其研究结果发现,在通气空化中,注入的气体与反向射流的相互作用会引起空泡的大尺度脱落,这是该类空化流动中一种特有的空泡脱落机制.王一伟等(2013)对水下回转航行体的附着型空化行为进行了实验与数值研究.基于实验与数值结果,其深入探讨了该流动中空化非稳态演化的物理机制,对反向射流的生成机理进行了分析,揭示了其对空泡演化的诱导作用.于娴娴等(2014)研究了轴对称航行体通气空化的非定常演化行为.研究结果表明,该流动中空泡脱落的主要原因为边界层衍生二次涡,其在发展过程中将会切断主涡涡面进而引起尾部主涡结构的脱落.此外,通气量的大小对空泡的形态会产生明显的影响,一般而言,通气量的增加会引起空泡长度与厚度的增加,脱落位置也会向下游移动.图4 不同含气量对空化的影响.(a)攻角θ=1◦,来流速度V=7m/s,空化数σ=1.3,含气量α/αs=91%;(b)攻角θ=1◦,来流速度 V=7m/s,空化数σ =1.3,含气量α/αs=70%2.2 空化流动压力场测量技术压力作为影响空化的重要因素(Arndt 1981,2002),很早就受到了研究人员的重视(Astol fiet al.2000,Wang et al.2001).Kawanami等(1997)为了研究附着型空化流动机理及其控制方法,在水翼表面布置了多个压力测点,其响应频率可达2.8kHz.借助这些压力传感器,其准确测得了脱落的空化云向下游运动过程中诱发的剧烈压力脉动,并提出了一种经典的空化云脱落机制,即反向射流机制,大大促进了人们对于空化云脱落的理解,并提出了控制空化不稳定性的方法.Callenaere等(2001)则创造性地利用一个超声波发生器和一个压力传感器对附着型空穴内部的反向射流的厚度进行了测量.根据实验结果,他们指出空穴尾部的逆压梯度、反向射流与空穴厚度的比值是影响空化发展稳定性的两个关键参数,这是人们对于空化的不稳定特性理解的重要一步.但是,由于空化发生时压力很低,而空化溃灭时局部压力又可以达到数百个大气压,流场中存在着非常剧烈的压力脉动,因而对压力传感器提出了很高的要求.Foeth等(2008)为了测量扭曲水翼表面的压力分布,在水翼吸力面及压力面布置了多个测点.为了尽可能避免压力传感器损坏,其将压力传感器布置于水翼内部的小腔室内,通过小孔与外界流场接触,进而捕捉流场中的压力脉动.即便如此,吸力面多个传感器依然被损坏.Singh等(2013)为了对空化射流的压力场进行测量,在空化射流冲击区域布置了一个压力传感器,该传感器响应频率高达500kHz,感应区面积为19.63mm2.为了防止其被空化破坏,他们特意用一个有机玻璃薄片将感应区进行部分遮盖,使其有效面积减小至3.14mm2,最终成功测量到了该处的压力脉动.然而,应当注意的是,通常而言压力传感器感应区面积比空泡大、响应频率比空泡溃灭频率低,这意味着传感器采集得到的压力信息可能是不准确的(Carnelli et al.2011).就当前压力传感器技术而言,如何在测量空泡区压力脉动的同时尽可能保护压力传感器不被损坏依然是一个急需解决的问题.2.3 空化流动速度场测量技术在空化实验的早期,流速信息的测量主要依靠探针等侵入式测量技术(Stutz&Reboud 1997a,2000).此类方法虽然简单、易于实施,但是也会在较大程度上直接影响当地流场,使得其测量信息的可靠性受到影响.基于光学原理的LDV(laser doppler velocimetry)测量技术则可以很好地解决这一问题,其测量数据精度也较高,在空化机理的研究中起到了重要的作用(Arndt etal.2000,Chesnakas&Jessup 2003,Sou et al.2007).但是无论是侵入式的探针测量还是无侵入的LDV,其测量的数据均是某个空间点的信息,更为重要的整个流场的瞬态信息无法获取.为此,Zhang等(1998)在前人工作的基础上(Adrian1994,Westerweel 1997),发展了PIV(particle image velocimetry)技术并首次将其应用于空化流动测量.该方法可以较为精确地测量流场中某个断面的流速分布,因而可以提供丰富的流场信息.Gopalan和Katz(2000)采用PIV技术对附着型空化的闭合区结构进行了大量观测,获取了速度、涡流等物理量的瞬态及时均分布,其结果表明闭合区蒸汽泡的溃灭是涡量生成的主要原因.Iyer和Ceccio(2002)则利用该技术得到了空化流动的剪切应力、雷诺应力分布,分析了空化对剪切层的影响.国内学者Huang等(2014a)利用PIV技术对Clark-Y水翼空化绕流进行了一系列的实验测量,其工作表明附着型空化的准周期性生长、发展、脱落、溃灭等过程对涡量的输运具有非常重要的影响.随着技术的进步,传统的PIV技术也得到了长足的发展,逐渐演化出TR-PIV(Foeth et al.2006,Wosnik et al.2006),stereo-PIV(Dreyer et al.2014)等新的测量手段.但是,应当注意的是,这些PIV方法均无法获得空化区域内部的速度场.图5 PIV/PLIF技术测量及数值计算得到的速度场与蒸汽体积分数分布(Dular et al.2005)为了解决该问题,近年来一些研究者提出了PLIF(planer laser induced fluorescence)技术,该技术利用激发态激光在跃迁时释放光子来显示流场信息,不再依赖于示踪粒子,因而可以直接对空穴内部进行测量,并且具有很高时间分辨率(纳秒级)与空间分辨率(小于1mm).Friedrichs和Kosyna(2003)利用PLIF对离心泵内部的旋转空化进行了测量,获得了空化区域内部的速度分布,其分析表明叶片空化与相邻叶片导边的相互作用是旋转空化的主导性因素.Dular等(2005)利用PIV及PLIF 技术也对离心泵内部的空化流场进行了测量,得到了叶片周围瞬态、时均的速度场与蒸汽体积分数分布(如图 5所示).此外,Bachert等(2003)及Dular等(2007)还利用该技术对绕水翼空化流动进行了实验观测,得到了较为精确的空化结构外形.PIV/PLIF作为一种无侵入式的测量技术,可以同时获得空化区域内外的流场信息,可以大大促进人们对于空化外部及内部结构的认识,在今后的实验研究方面应当得到重视与发展.2.4 空化流动蒸汽含量测量技术流场蒸汽含量作为一个可以直接表征空化程度的物理量,一直是实验研究人员关注的重点.早在1997年,Stutz等就尝试对文丘里管内部空化流动中的蒸汽含量分布进行测量(Stutz&Reboud 1997a,Stutz&Reboud 1997b).在实验中,他们利用光学探针成功获得了云空化脱落区域及附着型空化区域中某些监测点的时均蒸汽含量及速度,其测得最大的时均蒸汽含量分别为0.21和0.8左右.随后,Stutz和Legoupil(2003)利用X射线密度测量仪对类似的文丘里管内部空化流场的蒸汽含量进行了测量.实验中,他们使用了一个发射源和24个线性排列的接收探头,以获取对应的24个空间位置上的瞬时蒸汽含量,其采样频率可达1000帧,测得的最大蒸汽含量为0.25.Coutier-Delgosha等(2007)用同样的装置对水翼空化绕流进行了测量,其测得的时均蒸汽含量和最大的瞬时蒸汽含量分别为0.6和0.85.但是应当注意的是,这些测量方法尽管可以获得流场蒸汽含量,但其仍然只是获取部分空间点的含气率.Makiharju等(2013)进一步发展了该测量技术,使其可以对一个平面的蒸汽含量进行测量(见图6),这大大丰富了可获取的流场蒸汽含量信息,是空化流场测量技术的一大突破,对空化的实验研究将发挥重大作用.Ganesh等(2016)利用该技术对文丘里管空化流动进行了细致地测量,首次从实验的角度发现了空化流动中的激波现象,揭示激波现象为空化脱落的一个重要机制,大大加深了人们对于空化脱落机理的理解.图6 二维X射线密度测量系统示意图(Makiharju et al.2013)2.5 多物理场同步测量技术值得注意的是,随着实验技术的不断发展以及空化研究的不断深入,空化流动多物理场同步测量技术越来越多地得到应用与推广(Wang et al.2017).利用多物理场同步测量技术,可以实时对多个物理量(如压力、速度、噪声等)进行同步测量,这使得分析空化流动中各流场参数的瞬时相互作用成为可能.陈广豪(2016)利用同步测量系统(见图7),将高速全流场显示系统和压力测量系统结合在一起,进行同步采集,可以获得较高的同步精度.基于该同步测量系统获得的实验数据,其对空穴形态与压力脉动进行了深入分析,揭示了空穴演变与流体动力的相互作用.张孝石(2017)在研究水下航行体空化流动过程中,构建了空化流动多场同步测量系统,可以同时获取高速图像、压力信号、通气量等实验数据,对自然空泡和通气空泡的形态演变过程及其表面压力脉动特性进行了系统的研究,揭示了空泡脱落模式、频率及壁面压力脉动的变化规律.空化流动具有非常强的非定常性,其演变又会引起流场中其他物理量如压力、速度的剧烈变化,与流场中的漩涡、湍流结构具有密切的相互联系,这意味着空化流场中多物理量瞬态相互作用的研究对揭示空化机理具有重要价值,多物理场同步测量技术在空化流动研究中也必将愈发重要.Reuter等(2017)利用多场同步测量技术对单个空泡发展过程中的流场的速度及空泡的形态进行了同步观测,发现壁面效应对空泡溃灭过程具有非常强的影响,不同的壁面距离会诱发两种不同的漩涡结构.图7 多场同步测量系统示意图(陈广豪2016)3 空化数值模拟方法的进展实验研究尽管为人们认识附着型空化及其流动机理提供了丰富的数据,促进了人们对该流动的理解.但是随着研究的不断深入,实验手段本身的实验周期长、实验费用高昂、获取数据有限等缺陷逐渐暴露出来,附着型空化的高度非定常性与三维流动特性更是加剧了这一矛盾.另一方面,计算机性能的不断提升使得数值模拟技术在空化流动领域中的应用越来越广泛,已经成为空化研究中一个重要的研究手段(Hidalgo 2015,Peng G Y et al.2016).在空化流动的数值模拟中,空化模型与湍流模型对模拟结果的精度起着非常重要的作用.3.1 常用的几种空化模型空化模型是用于描述气、液两相之间质量输运的数学模型,对空化流动的模拟精度起着决定性的作用.目前,应用较为广泛的空化模型主要分为两类:一类为基于正压流体状态方程的空化模型,一类为基于质量输运的空化模型.3.1.1 基于正压流体状态方程的空化模型正压流体状态方程模型最初由Delannoy和Kueny(1990)提出.在该模型中,气液混合物的密度可以采用状态方程描述,即认为是压力与密度的函数.通常在空化流动中,温度的效应可以忽略.忽略热力学效应后,在该模型中,混合物的密度可以简化为当地压力的单值函数,即式中,ρm为混合物密度,p为当地压力.为了更加方便地表述混合物密度ρm与压力的关系,定义参数∆pv式中,ρl和ρv分别为液态水和水蒸汽密度,cmin为流场中的最小声速.则f(p)可以写为式中,prefT为参考压力,ρref为参考密度,p0=300MPa,n=7.从式 (3)可以看出,在该模型中:(1)当压力较大(p>pv+0.5∆pv)时,混合物被视为纯液态水,其密度与压力的关系服从Tait方程;(2)当压力较小(p<pv−0.5∆pv)时,认为当地流动介质为纯水蒸汽,流体密度与压力的关系满足理想气体状态方程;(3)当压力大小适中(pv−0.5∆pv<p<pv+0.5∆pv)时,当地流场由汽、液两相混合物组成,其密度与压力的关系按正弦曲线描述.关于该空化模型的理论分析及实际应用已经有了较为详细的研究(Goncalves&Patella 2009,谭磊和曹树良2010,黄彪2012).该模型可以较好地模拟稳定的附着型空穴,对压力等参数的预测与实验结果也比较吻合.需要注意的是,空化的本质是相变,而基于正压流体状态方程的空化模型,并没有体现相变过程,这暗示着该空化模型在捕捉空化流动细节时必然存在着一定的缺陷.实际上,Katz(1984)和Lerouxd等(2004)的实验结果表明,在空化流动中旋涡的产生及其运动对空化的演变产生着重要的作用.而在空化流场中,由于密度与压力梯度不平行导致的斜压矩项在旋涡演变过程中的作用不可忽略.但是在基于正压流体状态方程空化模型中,由于将密度简化为压力的单值函数,其密度与压力梯度始终保持平行,因而无法反映斜压矩项的影响.该空化模型在预测空化的对流和输运现象方面存在明显的缺陷.3.1.2 基于质量输运方程的空化模型为了捕捉空化过程中的相变过程,人们发展出了一套基于质量输运方程的空化模型(transport equation-based model,TEM).通过添加适当的源项,对质量或体积分数采用传输方程来控制汽液两相之间的质量传输过程.与基于正压流体状态方程的空化模型类似,在这类空化模型中,一般也忽略热力学效应的影响.目前,通常采用基于体积分数的输运方程来描述相变过程式中,αv为气相体积分数,˙m+表示蒸发过程中单位时间内由液相转为汽相的液体质量,˙m−则表示反向的凝结过程.根据不同的˙m+和˙m−的构建方式,此类模型又可分为两大类,即基于Rayleigh-Plesset方程(R-P方程)的空化模型和基于界面动力学的空化模型.(a)基于R-P方程的空化模型R-P方程描述的是一个单泡在内外压差作用下的生长或溃灭过程,其形式为。