表面特性对绕水翼空化流动影响的研究

【摘要】：空化引起的空蚀对于材料具有强烈的剥蚀作用。空蚀严重影响着水泵、水轮机等过流部件及船舶螺旋桨等的性能与服役寿命,材料的抗空蚀研究已经成为国内外急需解决的关键技术问题。作为空蚀的先决条件,空化受流场内部的湍流结构和压强影响极大。研究表明,表面结构和材质均可直接影响近壁区域的流场结构,从而影响空化的产生。现阶段国内外对抗空蚀技术的研究主要着眼于利用涂层来改善材料表面的力学性能如硬度、附着力等,并取得了一定的成果,但是对于材料表面结构和材质自身对空化流动的影响尚未开展相关的研究工作。因此,本文针对表面特性对绕水翼空化流动影响进行了研究。建立了一套完整的表面特性对空化流动影响的研究方法。利用特殊工艺设计加工了具有不同类型表面粗糙度、表面材质的一套实验模型和专用的固定装置,且采用高速全流场显示技术与粒子图像测速技术相结合建立了的针对表面特性对空化流动特性影响的实验研究方法。水翼表面粗糙度会极大地影响空化流动结构。表面粗糙度的存在会诱发局部的流动分离,导致附着型锥状空穴的生成,而表面相对光滑的水翼表面空穴则以手指状空穴构成,流动结构的不同导致空化发展过程有所区别。表面划痕和均布粗糙度对绕水翼云状空化流动的形态和发展过程均有较大影响。水翼表面材质影响了空化流动的形态,并影响空化流场的发展过程。通过对比绕铝质、不锈钢和带有环氧涂层水翼空化流动可知,材质对绕水翼空化流动的影响主要集中于初生及片状空化流动阶段,而对绕水翼云状空化流动的影响较为有限。与铝制相比,不锈钢材质和环氧涂层材质均有效抑制了空化的发生和发展,且不锈钢材质效果更好。讨论了绕水翼云状空化流场的运动特性,探讨了反向射流发展过程。在云状空化的增长阶段,近壁处速度明显小于主流区域速度,空泡团在水翼尾缘处的聚集和旋转对尾部流场产生影响,压力面剪切流、吸力面剪切流与水翼尾缘空泡团共同作用,将压力面来流的部分液态水带入水翼吸力面,生成了一股反向射流,沿水翼表面向前缘处运动,并最终导致大尺度空泡团脱落,过程中伴随着多个大尺度漩涡的生成及脱落。