附着型非定常空化流体动力特性与机理研究

【摘要】：空化现象经常会出现在螺旋桨、水轮机、水泵等流体机械的内部流动,以及高速水下航行体周围。上述领域中的空化现象绝大多数是一种附着型的空化,空穴附着在绕流物体表面,其非定常过程包含了附着型空穴的生长、脱落、溃灭等复杂的非定常流动现象,空穴演变诱导的压力脉动可能带来振动、噪声、空蚀等不良影响。开展附着型空化流动非定常特性的基础研究,尤其是流体动力特性的研究,有助于对空化流动规律的掌握,提出相应措施抑制空化流动的不利影响,具有重要的工程意义。本文针对附着型非定常空化的流动及其流体动力特性,开展了实验与数值研究。在实验研究方面,建立了一套基于空化水洞的空化流动多场同步测量系统,针对收缩-扩展流道内的非定常空化流动,研究了空穴演变诱导的压力脉动特性,包括空穴溃灭产生的时间尺度为微秒量级的压力脉冲特性,并且尝试采用主动通气技术对附着型空化流动的非定常特性进行调节。在数值计算方面,深入分析了云状空化形态演变及其诱导压力脉动的机理,以及云状空化的旋涡运动特性。全文主要内容及创新性成果如下:(1)建立了基于空化水洞的空化流动多场同步测量系统,该系统将高速全流场显示系统和压力测量系统结合起来,实现了空穴形态和压力脉动的同步采集,进而可以对附着型非定常空化流动的瞬时空穴形态和壁面压力脉动进行同步分析,揭示空穴形态演变与流体动力的相互关系。(2)基于多场同步测量系统,同步测量了收缩扩展流道内附着型非定常空化的空化形态和压力脉动。获得了压力脉动的时域和频域特性随空化数的变化规律。重点研究了云状空化生长、脱落、溃灭准周期发展过程诱导的压力波动规律,获取了云状空化空穴演变与压力脉动的关联特性。在云状空化的非定常演变过程中,捕捉到了幅值为几个大气压量级,时间尺度为微秒量级的压力脉冲,压力脉冲在流场中的传播速度与当地的含气量有关。依据压力脉冲累积强度的分布规律发现,附着型空穴覆盖区域的累积压力脉冲强度远远小于附着型空穴尾部和脱落型空穴溃灭区域的累积压力脉冲强度。另外,采用粒子图像测速技术测量了收缩扩张流道内不同空化数条件下的流场速度、涡量和湍流脉动分布,分析了空穴的非定常发展过程对当地流场结构及湍流场的影响。(3)揭示了云状空穴发展过程中空穴演变与其诱导压力脉动的机理,以及云状空化的旋涡运动规律。基于实验数据与数值计算结果,表明云状空穴准周期变化过程产生的压力波动与空穴体积的二阶导数成正比,并且基于简化的单个空泡动力学方程的推导对上述结论进行了理论支撑。另外,采用拉格朗日分析方法、Q等值面和三维流线等方法呈现了云状空化的三维旋涡运动特性。(4)获得了主动通气技术对云状空化流动非定常流体动力特性的调节作用。采用同步测量技术,获取不同空化数和通气率下的空穴形态和壁面压力波动,发现主动通气有效地抑制了云状空化溃灭产生的压力脉冲,随着通气率的增加,附着型空泡断裂、脱落的频率显著降低,使得整个扩张流道内的附着型空泡发展过程更加稳定,压力脉动强度显著降低。