空化区掺气泡与空泡相互作用及紊动空化特性的试验研究和数值模拟

【摘要】：本学位论文分为两部分内容：一部分为空化区掺气泡与空泡相互作用的研究,另一部分为水力空化多孔板空化区紊动空化特性的研究。 高速水流由于其特殊性不能按一般水力学问题进行分析,它涉及到很多方面问题：水流脉动、掺气、空化空蚀、消能防冲、雾化等等。其中,空化空蚀是国内外水力学专家最为关注的重点和难点之一。当水流速度达到一定程度时,水流压强低于相应的饱和蒸汽压强,水流内部形成空穴,这就是空化现象。空化水流由低压区流到较高压力区时,空泡溃灭便会产生空蚀破坏。空化空蚀由于是流体内部随机的复杂现象,因此从微观上弄清机理才能揭示空化空蚀的规律。一方面,空化空蚀对人们有负面影响,比如破坏泄水建筑物表面,损坏水力机械等等；另一方面,空化空蚀对人们有正面影响,比如处理难降解废水,切割钢板等等。因此对于空化空蚀的研究而言,在特定的情况下减免或加强空化空蚀,更能增加研究的完整性。 本文第一部分是以减少空化空蚀的负面影响作用为出发点,对空化区掺气泡与空泡相互作用进行了试验研究。随着我国水利建设中高坝建筑日益增多,高速水流带来的空化空蚀不容忽视。研究表明,为减免高速水流空化产生的空蚀破坏,经济且有效的措施是在低压空化区或在易发生空蚀部位上游设置掺气设施强迫掺气。为了合理地利用掺气抑制空化或减免空蚀破坏,必须掌握掺气减蚀的机理。迄今为止,人们主要对空泡与空泡之间的相互作用进行了研究,而对掺气条件下空化区掺气泡与空泡的相互作用的研究甚少。本文在浙江工业大学水力学实验室的直流式水洞中采用三维粒子测速仪(PIV)、高速摄影机、SINOCERA-YE6263压力数据采集系统等先进的量测仪器,对半圆柱与圆柱突体空化区掺气泡与空泡相互作用进行了试验研究。考虑不同掺气浓度、不同流速对空化区掺气泡与空泡相互作用的影响,研究表明：所拍摄的粒子图像和高速摄影图片与Manage系统处理得到的流场速度矢量图基本一致。高速摄影观察表明流速和掺气浓度对空泡与掺气泡互相作用的影响不是独立的。掺气能缩减空化云的范围,所需要的掺气浓度随着流速的增大而不断递减,并给出了有效掺气浓度与流速的经验公式。 本文第二部分是以利用空化空蚀的正面影响作用为出发点,对水力空化多孔板空化区的紊动空化特性进行了试验研究和数值模拟。随着工业化的发展,含有大量难降解有机物的工业废水逐年增多,对人们的健康构成了严重的威胁。水力空化是近年来发展起来的一种处理难降解废水的新技术,对于解决全球的水污染问题具有重大意义。本文基于计算流体力学软件FLOW-3D,数值模拟了不同孔口形状(矩形、三角形、圆形)多孔板下游的紊动特性,包括紊动能、紊动强度和雷诺应力的变化规律,并考虑不同流速、孔口数量、大小及其布置方式的影响。采用SINOCERA-YE6263压力数据采集系统对每种孔口形状(矩形、三角形、圆形)多孔板下游的压力特性进行了试验研究,分析了孔口数量、大小及其布置方式对多孔板下游压力的时均和频谱特性的影响,对水力空化装置的多孔板进行优化设计并得出了最有利于空化的多孔板。