基于多泡理论对空化模型的改进

【摘要】：空化流是液体中常见的一种气液相变流动。目前许多学者发展了不同的空化模型来模拟空化流,这些空化模型能够解释空泡流的基本特征比如云空泡的脱落等,但是还无法表达一些细致而重要的空化特征,比如空化初生因素以及云空泡脱落后泡的溃灭瞬变过程等,因此要从细观的角度研究空化的复杂瞬变过程,即进行空化机理的研究。本文在理论方面,从考虑泡间相互作用的Rayleigh-Plesset方程出发,得到多泡场中泡径演化规律；在数值模拟方面,基于流体体积法(VOF)在考虑表面张力、粘性等效应的条件下模拟了单泡、多泡以及泡群的溃灭过程。 首先,采用VOF界面捕捉方法数值模拟了单泡溃灭过程,着重分析了泡的体积及泡周围液体中压力的变化,并将相同条件下的模拟结果、多泡理论在单泡假设下的数值解与Rayleigh方程的解析解进行了对比,三者吻合地较好,从而验证了文中所用数值模拟方法和多泡理论的正确性。由于存在泡间相互作用,多泡溃灭过程中,无论是溃灭形态还是溃灭时间明显不同于单泡溃灭的情况。多泡情况(2泡、3泡)下在溃灭后期会出现指向中心的射流,并且泡的溃灭时间明显多于单泡的溃灭时间。同时对多泡在不同泡间距及不同泡数量的情况下进行了数值模拟,通过比较可知：泡间距越小,泡间相互作用越大,溃灭的延迟效应越明显；泡的数量越多,泡间相互作用越大,溃灭的延迟效应越明显。最后从研究百个数量级的泡群的溃灭过程入手,着重研究泡群溃灭过程中的溃灭速率与压差和初始体积分数之间的关系。通过对单泡溃灭时间与泡群溃灭时间的比值进行分析,修正了现有的空化模型,得到空化模型的最终表达式。