绕不同头型回转体初生空化的实验研究

胡常莉，王国玉，陈广豪

(北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081)

0 引言

当液体内部的局部压强降低到液体的当地汽化压强以下时，在液体内部或液固交界面上就会产生蒸汽或气体的空穴(空泡)，这种现象称为空化。在给定雷诺数和迎角的条件下，对应不同的空化数，水流中的空化发展可以呈现出以下几种不同的空化形式：初生空化、片状空化、云状空化和超空化［1］。在工程中，空化通常是一种有害现象，会导致流体机械的效率降低甚至造成破坏。因此，对于空化初生的机理、生成条件以及形态控制的研究，一直是空化现象研究的一个关键问题。Ceccio［2］指出系统中的空化初生与流场中的压力和粘性流动的模式有关；Chau［3］研究了粘性对初生空化影响；Katz曾观察了一水堰后部的空化［4］，研究了与分离区域有关的空化现象［5］，指出旋涡空化的初生区域位于剪切层内。Arndt认为旋涡空化发生在剪切层内旋涡的涡核低压区内［6］。旋涡空化的形成和发展应该和水流发生分离后剪切层区域内周期性旋涡运动有关。王国玉［7］通过实验观察了绕水翼的初生游离型空泡的演变过程并研究了其对无空化流场的影响。何友声［8］对不同头型回转体的初生空化数进行了研究，并建立了初生空化数和发展空泡特征几何参数的工程计算公式。黄彪［9］用实验的方法研究了绕平头回转体非定常空化流动，并观察了初生空泡形态的脉动情况。但对于不同头型初生空穴的发展过程及流场结构特性的研究，目前国内外还是比较罕见的。

作者采用高速全流场流动显示技术观察了绕两种头型回转体的初生空穴的形成及其发展过程，另外结合粒子测速(PIV)方法进一步研究了初生空化的流场结构及游离空穴的旋涡特性。

1 实验设备和方法

实验在一闭式循环空化水洞［10］进行。实验段截面为矩形：0.19m×0.07m，长度为0.7m。通过实验段的上下部及前侧面的透明有机玻璃窗观察空泡形态。图1为高速全流场显示系统布局示意图。流动显示实验时，采用1.2kW镝灯照明，高速摄像机记录空化发展过程中的流动演变历程。为了观察到更多的流动细节，采集速度为5000f/s。图2给出了PIV测速系统示意图，实验中，粒子成像测速仪(Particle Image Velocimetry简称PIV)的基本组成包括以下几个部分：CCD相机，激光器，同步器及光路系统，数据采集系统等。实验时，激光器按一定的频率发出片光并照亮流场中的粒子，然后由计算机控制 CCD/CMOS照相机拍摄，图像存储于计算机内，由专业软件对两幅照片中的粒子做自相关或互相关的计算，最终得到流场的速度分布、涡量分布等测量结果。

试验采用了如图3所示的回转体模型，其中图(a)是平头回转体的实物图，其横截面直径为20mm；图(b)是锥头回转体的实物图，其半锥角为45°，横截面最大直径为20mm。

图2 PIV测速系统示意图Fig.2 Arrangement of the PIV system

图3 试验回转体模型Fig.3 Experimental model

实验中，空化数定义为：

雷诺数定义为：

式中 p∞，U∞，ρ，ν和 pv分别为回转体头部中心上游0.21 m处参考断面上的静压力、平均速度(速度剖面充分均匀)、水的密度、水的运动粘性系数和当地汽化压强；dn为回转体横截面的最大直径。实验时，保持流速为8.8m/s，与其对应的雷诺数Re=1.76×105，通过真空泵调节参考断面的压强进而调节空化数。

2 结果与讨论

2.1 初生空穴形态特性分析

分别对绕平头和锥头两种头型的回转体初生空化流场进行了观测，两种头型的初生空化数存在明显的差异，在目前的实验条件下，平头回转体的初生空化数为1.2，而锥头回转体的初生空化数是0.9。图4给出了上述初生空化条件下绕平头和锥头两种头型的空穴形态随时间的变化。可以看出虽然两种空穴均发生在肩部的下游区域，但平头回转体的空穴初生位置明显靠后，且两种头型的初生空穴的形态与发展过程均存在明显的差异。如图4(a)所示，绕平头回转体的初生空穴的尺度较大且离回转体的壁面较远。当t0+0.4ms时，空穴形态由发夹涡对状，融合形成涡团状。随着时间的推移，空穴随主流向下游运动，在t0+0.8ms时，出现涡线，直至t0+2.4ms时，涡线消失。可见在空穴的发展过程中存在明显的旋涡特性。由图4(b)可知，绕锥头回转体的初生空穴与王国玉［7］研究的绕翼型初生游离型空穴的发展过程非常相似，即发夹涡经历生成—长大—压缩—反弹—溃灭的全过程。具体地，当t0+0.4ms，涡对生成；t0+0.6ms时，涡对长大，瞬间融合压缩，之后从t0+1.0ms时，开始反弹，直至t0+1.8ms时，开始溃灭。另外，可以发现两种初生空穴的发展周期有着明显的差异，平头回转体的初生空穴的发展周期约为2.2ms，而锥头回转体的初生空穴的发展周期约为1.8ms。

图4 初生游离型空穴形态图Fig.4 Travelling cavity shape of inception cavitation

2.2 初生空穴的旋涡特性分析

2.2.1 时均流场结构分析

图5给出了绕两种头型回转体无空化流场的时均速度矢量图。从图中可以看出，两种头型回转体的肩部均发生流动分离，使边界层脱离壁面，而边界层内部产生旋涡，即所谓的分离涡。Kunz等通过分析边界层和空化的关系，认为分离涡中的空化现象是因为边界层分离达到一定程度而产生的。比较两种头型的流场结构可知，绕平头回转体的边界层分离程度较大，因此其初生空化数较大。另外，平头回转体分离涡的尺度较大，涡心的位置离肩部及回转体壁面均较远，这便造成空穴初生的位置比较靠后且离壁面较远。

空化是一个包含相变并伴随着能量转换过程的复杂流动现象。图6给出了绕两种头型回转体的无空化流场和初生空化流场的时均速度梯度(∂u/∂y)分布情况。显然，与剪切层对应的大速度梯度区域分布在肩部附近。通过比较可知，初生空化流场的大速度梯度区域要小于无空化流场的。这是由于空化的发生加速了当地流场的动量交换，使空化区域的速度变得均匀，从而减小了速度梯度。另外，大量的文献指出，初生空化区域位于剪切层内。初生空化条件下，相比于锥头回转体，平头回转体的大速度梯度区域离壁面较远，即其剪切层离壁面较远，由此平头回转体的初生空穴的发生、发展区域离壁面较远。

图5 无空化时，回转体头部周围流场二维速度矢量图Fig.5 Velocity distribution around the body head at the non-cavitation condition

图6 无空化流场与初生空化流场时均速度梯度(∂u/∂y)分布Fig.6 Time-averaged velocity gradient distributions at the non-cavitation and cavitation conditions

图7 给出了绕两种头型回转体的z向时均涡量分布云图。这里，z向涡量定义为：

由定义可知，涡量与速度梯度密切相关，速度梯度较大区域对应着高涡量区。显然，平头回转体的高涡量区域较大且离壁面较远。通过比较可知，两种回转体的初生空化流场与无空化流场的时均涡量分布没有发现显著的规律性差异，可见初生空穴的旋涡特性对时均流场的影响不大。

图7 无空化流场与初生空化流场时均涡量分布Fig.7 Time-averaged vorticity distributions at the non-cavitation and cavitation conditions

2.2.2 瞬时流场涡量分布

有研究表明，初生涡空化的形成和发展与水流发生分离后剪切层区域内周期性旋涡运动相关［11］，采用PIV技术分别观察了平头和锥头回转体的初生空化流场并得到了几个典型时刻(t0～t5)的空穴形态图及对应的z向涡量分布云图，如图8所示。图8中空穴形态图的亮白部分是游离型空穴。由空穴形态图可明显看出，两种头型的初生空穴与回转体壁面之间存在一定的距离，且平头回转体的初生空穴离壁面较远。另外，游离空穴的运动具有明显的随机性及非定常特性，即随着时间的变化，空穴时而远离壁面时而又贴近壁面。由涡量云图可以看出，每一时刻的高涡量分布可以明显的分为两部分，一部分是呈带状的正向高涡量区域，其对应于头型的肩部；另一部分是呈零散状的高涡量区域，其对应于空化区域。结合空穴形态图发现，游离空穴形态与涡量分布是一一对应的。由于游离型空穴的影响，流场往往会产生正负两个方向的高涡量团，同时使这部分的涡量分布具有明显的非定常性。通过比较两种头型空化区域的涡量云图可以明显的看出，绕平头回转体的初生游离型空穴的旋涡特性比较强。

图8 瞬时空穴形态图及涡量分布云图Fig.8 Instantaneous cavity shape and vorticity distribution of inception cavitation

3 结论

采用流动显示技术和PIV相结合的方法，研究了绕平头和锥头回转体的初生空化流场，所得结论如下：

(1)绕流回转体的头型影响回转体初生空化数的大小。在本实验中平头回转体的初生空化数为1.2，而45°锥角头型的初生空化数则为0.9。

(2)绕流回转体的头型影响初生空化的形态。虽然两种回转体的初生空穴均呈游离的发夹状，形成于回转体的肩部下游位置，但是平头回转体的初生空穴的尺度较大且其初生位置距离肩部及回转体的壁面均较远。

(3)绕不同头型回转体的流场具有不同的涡量大小与分布。与锥头回转体相比，绕平头回转体的分离涡尺度较大，边界层离壁面较远，高涡量区域较大且离壁面较远，旋涡特性较明显。

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［11］王国玉，曹树良，IKOHAGI T.剪切层中的旋涡空化机理［J］.清华大学学报，2001，41(10)：62-64.