绕三维扭曲水翼云空化形成及演化的试验研究

曹彦涛，彭晓星，张国平，徐良浩

（中国船舶科学研究中心 船舶振动噪声重点实验室，江苏无锡 214082）

绕三维扭曲水翼云空化形成及演化的试验研究

曹彦涛，彭晓星，张国平，徐良浩

（中国船舶科学研究中心 船舶振动噪声重点实验室，江苏无锡 214082）

水翼上云空化形成及演化的过程是一个极其复杂的非定常过程。文章利用高速摄影技术，以横截面为NACA16012的三维扭曲水翼为研究对象，在一定的攻角和空化数下，对云空化的产生和演化过程进行了试验观察。结果显示，云空化的产生与回射流有关，不同结构的回射流造成片空化脱落的机制不同。云空化具有复杂的三维结构，试验证实了云空化中旋涡结构的存在。分析表明，云空化的发展与U型涡结构的形成和演化密切相关。

三维扭曲水翼；云空化；试验观察；U型涡结构

1 引 言

云空化通常是指片空化的脱落破碎产生于片空化下游，或者涡空化的断裂存在于涡空化尾部的空化类型。本文所指的云空化是由片空化（附着型空泡）脱落卷起后产生的云雾状结构。因其产生和发展是一个极其复杂的非定常过程并且涉及湍流、旋涡等流体力学中的诸多难题，目前对于该现象的认识还十分有限。

云空化具有较强的三维性，其产生和发展受水翼的几何结构影响较大[1]。从试验角度考虑，因二维水翼沿展向的攻角无变化，会导致生成的空泡缺少一个固定的对称平面，空泡尾部闭合区域不稳定，因而回射流的方向不断发生改变，使得空泡的脱落位置具有随机性，不便于试验观察和研究。Delft大学的Foeth[2]（2008）通过在展向将水翼攻角沿固定轴线变化，设计了具有对称平面的三维扭曲水翼并对其进行了试验研究。这样的设计使得空化发生的部位基本固定在水翼中间的扭曲部分，并且空泡关于中心平面对称，在试验中可以获得结构及发展周期性较为稳定的空泡。之后国内外许多研究人员以该设计为基础，做了大量数值研究并与其试验结果进行了比较[3-11]。而目前国内对三维扭曲水翼上空化的试验研究还相对较少，且Foeth的试验中只给出了空泡的正面形态，难以分析云空化的三维特性。本文以Foeth的设计为基础，设计了横截面为NACA16012的三维扭曲水翼。通过高速摄影技术先同步拍摄了三维扭曲水翼上空泡正面和侧面的形态，又在水翼斜后方观察了其空间形态。这样比从单一方向的观察更能了解云空化的三维特性，为云空化三维结构的深入研究提供依据。

2 试验设备与方法

2.1 试验设备

试验在如图1所示的中国船舶科学研究中心小型多功能高速空泡水筒中进行。水筒试验段长度1 600 mm，横截面是正方形，尺寸为225 mm×225 mm。四周各面都由两块大小不同非对称分布的有机玻璃围成，便于从多个方向观察。试验段最高水速为25 m/s，压力调节范围10-500 kPa。此外，该水筒还具有快速除气和播核功能。

图1 小型多功能高速空泡水筒简图Fig.1 A sketch for high speed cavitation tunnel

图2 水翼模型（左边为设计图，右边为实物图）Fig.2 Hydrofoil model(left:designed;right:real)

2.2 水翼模型及试验安装

水翼模型如图2所示，其横截面为NACA16012翼型。水翼弦长100 mm，展长225 mm，关于中心截面对称。两端各有一段长12.5 mm的平直段，中间部分以75%弦长位置为轴心按照一定的攻角旋转。攻角沿展向变化如图3所示，最大攻角为11°。

从随边方向观察的水翼安装简图如图4所示，安装自然攻角为0度（即水翼平直段的攻角为0度），在左侧采用单侧支撑。右侧端面与有机玻璃间留有约0.1 mm的间隙，以防止有机玻璃被水翼右端面划伤而出现间隙空化。使用两个LED灯作为光源，从水翼下方自下而上打光。两台高速相机分别从水翼正下方和侧面进行拍摄，所得数据分别存放到两台电脑。相机之间连接有同步控制线，从而可以将其中一台相机的触发输出信号作为另一台相机的触发输入信号实现同步拍摄。两台高速相机的型号及相关参数设置见表1。

图3 水翼展向攻角变化曲线Fig.3 Attack angle distribution in spanwise direction

图4 水翼安装简图（自水翼随边观察）Fig.4 Sketch for the set up of hydrofoil(viewed from trailing edge)

表1 两台高速相机型号及参数设置Tab.1 The type and parameter settings of high speed cameras

2.3 试验条件定义

试验水速7 m/s，无量纲空化数σ定义为：

其中：ρ为试验中水的密度，p∞为试验段压力，pv为试验时水的饱和蒸汽压。

3 试验结果与分析

试验观察了多个空化数下的空泡形态。其中以空化数1.0条件下片空化脱落的形态较为典型，空泡的发展具有明显的周期性，便于研究片空化脱落形成云空化的过程。故选取空化数1.0条件下的空泡形态进行分析。

3.1 空化的非定常演化过程

图5是空化数为1.0时一个周期内空化的非定常演化图像，其中每幅图像都由上下两部分组成，如图5.1上面部分为空泡的正视图，下面部分为空泡的侧视图。水翼导边在右，流动方向由右向左。

图5 一个周期内空泡的演化图像（每两帧图像之间间隔0.002 s）Fig.5 Photos of cavitaion development in a period(the interval between frames is 0.002 s)

三维扭曲水翼上云空化形成及演化的过程是一个极其复杂的非定常过程。可以观察到在片空化生长到最大长度（约为水翼弦长的1/2）时，片空化底部的回射流（白色汽液混合物）也到达水翼导边位置附近。此时片空化依旧附着在水翼导边，从正面看其闭合线是一个凸状结构（图5.1正视图）。当片空化底部的回射流继续发展，冲击到片空化顶部时，会在导边附近将片空化剪断，造成片空化中间部分从剪断位置开始脱落（图5.2正视图）。随后片空化的脱落部分开始卷起，高度方向（壁面法向）的尺度开始增加（图5.4侧视图）。该部分随着主流继续向下游发展，形成涡团状结构，即云空化。此时云空化与片空化主体部分仍未完全脱离（图5.2-5.4正视图）。云空化继续发展，与片空化主体完全分离，其高度方向尺度不断增加，最终达到与空泡长度尺度同量级（图5.5侧视图）。与此同时，导边附近片空化的残余部分重新生长（图5.3正视图）。但是沿水翼展向片空化的生长速度并不一致。中间部分生长慢，两边部分生长快，导致片空化尾部闭合位置形成凹状结构（图5.5正视图）。片空化的两侧生长到接近弦长1/2位置时，其长度不再增加，而中间部分还在继续生长（图5.5-5.8正视图），使得片空化尾部闭合区域由凹状结构逐渐变得平直（图5.9-5.10正视图），最终当片空化中间部分达到最大长度后发展成凸状结构（图5.12正视图）。

3.2 片空化的脱落类型及机理分析

试验观察发现，片空化的脱落根据其脱落位置和脱落规模可以分为主脱落和二次脱落。主脱落是指靠近导边位置的片空化主体的中间部分受回射流冲击而从片空化主体上脱落下来并随主流向下游移动。从图5.4正视图可以看到，片空化主脱落并非整个片空化从水翼导边脱落下来，片空化的两侧仍有少部分依旧附着在水翼表面。从图5.8-5.12正视图可以看到，试验中片空化的主脱落是两侧的回射流向中间发展，在片空化尾部汇合后继续向导边方向发展，从而将空泡剪断。主脱落的结果是产生了云空化主体。二次脱落是指凹状结构形成后，在其两侧的局部凸出部位会有丝状结构脱落下来（图5.7正视图）。其成因是局部回射流冲击到上游的空泡顶部造成空泡的局部破碎形成丝状结构脱落下来。这与Foeth[12]的试验中所观察到的现象一致。二次脱落的结果是产生了局部丝状结构。

片空化主脱落和二次脱落之所以不同，是因为回射流的相对厚度不同，即回射流相对于片空化的厚度不同。片空化和回射流本身都具有一定的厚度。主脱落发生的位置位于扭曲水翼的中间部分，该处攻角较大，形成的片空化厚度较厚（图5.1侧视图），底部回射流的相对厚度较小，可以充分发展到达水翼导边位置，形成较大范围的脱落；而二次脱落发生的部位水翼攻角较小，形成的片空化厚度较薄（图5.7侧视图），底部回射流相对厚度较大，尚未到达片空化前端就冲击到片空化顶部，从而形成规模较小的局部脱落。可见，不同结构的回射流造成的片空化脱落机制不同。

3.3 云空化的空间结构

云空化具有复杂的三维结构。为进一步观察分析其三维特性，在水翼斜后方利用高速摄影观察了云空化的产生和发展。图6为一个周期内云空化的演化图像，可以看到云空化并不只是一团云状结构，其在演化过程中会形成明显的U型涡（或马蹄涡）结构（图6.4）。

云空化的产生与发展实际为U型涡结构的产生与发展。其原因是最初形成的云空化在底部回射流和顶部主流的带动下在横向形成类似于涡管的旋涡结构，具有环量Γ。由库塔—儒可夫斯基升力公式L=ρUΓ可知，该旋涡结构向下游运动过程中在壁面法向会受到远离壁面的升力作用，所以中间靠近导边的部分脱离壁面迅速卷起，高度方向尺度明显增加。此外，因主流速度比脱落下来的空泡部分运动速度快，使得该横向涡结构的顶部在主流方向受到拉伸作用而变形。这种拉伸作用在U型涡发展到靠近水翼随边位置时表现较为明显，如图5.10中U型涡头部在被向下游方向拉伸。而由涡的运动学性质可知，涡管不能在流体中产生或消失，只能在流体中自行封闭或将头尾搭在固壁或自由面上，或延伸至无穷远处。在以上因素共同作用下，该横向旋涡结构中间部分卷起，两端部分吸附在壁面，形成U型涡结构。其头部卷起较高略向下游延伸，腿部依附在壁面，从而试验验证了Kawanami等[13]关于云空化中U型涡的猜测。

另外，还可以观察到云空化主体部分脱落卷起的同时，其尾部也有小部分脱落卷起，在侧面形成前后两个大小不同的凸起（图5.4侧视图）。因相对云空化主体来说尾部卷起部分较小，因而卷起的高度也小于主体部分的高度。随后二者在主流作用下继续向下游移动，云空化脱落的尾部很快被主体的U型涡卷进云空化主体中，与主体部分合二为一（图5.6）。这也进一步说明了U型涡的存在对云空化的发展具有重要作用。

图6 云空化空间结构演化图像（每两帧图像间隔0.005 s）Fig.6 Photos for the development of cloud cavitation structures(the interval between frames is 0.005 s)

3.4 云空化的内部结构

云空化是由片空化脱落破碎而产生，其内部是由大量微泡组成的云团。试验中观察到云空化在向下游移动过程中，云团逐渐由浓密变得稀疏，云状的粗涡管（图6.3）也逐渐变成细长的涡丝（图6.5）。该现象提示由微泡群组成的云空化在向下游移动过程中随着流场压力不断升高，使得微泡群由外向内逐渐溃灭；另一方面是云空化内部类似涡管的空间结构在旋转过程中不断将微泡卷入涡心位置，聚集的微泡之间相互作用导致不断合并。试验表明，这一过程构成了云空化内部演化的基本形式。当然云空化的内部结构极其复杂，尚需深入研究。

3.5 片空化凹状结构的形成

片空化凹状结构的形成是片空化主体生长初期中间部分生长速度小于两侧生长速度的结果。其中间部分生长速度慢的原因可能是受到卷起的云空化部分的影响。片空化脱落形成云空化过程中，云空化受到远离壁面法向的升力作用。力的作用是相互的，该升力会产生一个反作用力，作用在壁面附近区域，使得靠近云空化上游的中间部分压力比两边高，从而抑制了中间部分片空化的生长。这样就造成了片空化中间部分生长慢两侧部分生长快，形成凹状结构。随着云空化向下游移动（图5.6与5.11比较），对上游部分的影响逐渐减小。此时片空化主体的中间部分长度增加，逐渐赶上并最终超过两侧部分的长度，凹状结构消失。这在一定程度上说明片空化主体的凹状结构是受云空化影响而形成的。

4 结 论

本文利用高速摄影技术，以横截面为NACA16012的三维扭曲水翼为研究对象，在一定的攻角和空化数下，再现了云空化的产生和演化过程。通过试验观察及分析得到如下结论：

（1）水翼上的云空化是由片空化脱落卷起形成并在旋涡结构中演化的复杂流动过程。

（2）云空化的产生与回射流有关，不同结构的回射流造成片空化脱落的机制不同。片空化的脱落根据其脱落位置和脱落规模可以分为主脱落和二次脱落。分析认为两种脱落的差异是由不同位置处回射流的相对厚度不同造成的。

（3）云空化具有复杂的三维结构，试验观察证实了云空化中旋涡结构的存在并分析了其演化过程。观察到云空化在演化过程中会形成明显的U型涡（或马蹄涡）结构，尝试分析了U型涡结构形成和演化的机制。

（4）片空化的发展受云空化演化的影响。片空化主体中间部分的生长受到云空化演化产生的反作用力的影响会形成凹状结构。

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Experimental study on the generation and development of cloud cavitation around a three dimensional twisted hydrofoil

CAO Yan-tao,PENG Xiao-xing,ZHANG Guo-ping,XU Liang-hao
(National Key Laboratory on Ship Vibration and Noise,China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China)

The process of sheet cavitation shedding to cloud cavitation is highly complex and unsteady.In this paper,the generation and development of cloud cavitation around a three dimensional twisted hydrofoil which has a NACA16012 profile at certain attack angle and cavitation numbers was observed and analysed,using two high speed video cameras.The experimental results show that the generation mechanism of cloud cavitation is related to re-entrant jet,and different kinds of re-entrant jets create different kinds of shedding.Cloud cavitation is a complicated three dimensional structure,in which there exists a vortex structure.The analysis shows that the development of cloud cavitation is closely related to the development of U shaped vortex structure.

three dimensional twisted hydrofoil;cloud cavitation;experimental observation;U shaped vortex

TV131.3+2

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2014.05.001

1007-7294（2014）05-0485-07

2014-02-28

国家自然科学基金（11072223，11332009）

曹彦涛（1987-），中国船舶科学研究中心硕士研究生，Email：caoyantao@126.com；

彭晓星（1963-），中国船舶科学研究中心研究员，Email：henrypxx@163.com。