绕圆头回转体通气超空化流动的实验研究

段磊，王国玉，付细能

(北京理工大学 机械与车辆学院，北京100081)

0 引言

近年来，随着超空泡现象被证明可以大幅减小水下航行体的航行阻力，使超空泡航行体获取超高速的性能，超空泡成为各海军强国的研究热点［1］。文献［2 -3］指出有2 种方法可达到超空化:1)自然超空化，通过提高航行体的速度或者降低环境压力2 种途径可以实现，但在开放水域里环境压力不能轻易改变，以现有的科技水平航行体速度也较难提高;2)通气超空化，即通过通入不可凝结气体的方法形成超空化，相比方法1)，此方法更容易实现，被认为是实现超空泡减阻的主要方法。

通气空化是一种复杂的流动现象，涉及到非定常、多相流、可压缩和相间交换等多个方面，至今人们还没有充分认识其流动机理，为了揭示这些复杂现象的规律，需要进行系统的通气空化两相流速度场实验研究。粒子图像测速技术由于其无干扰、瞬时和全流场精确定量测量的突出优点，已被应用于空化两相流流动测量［4］。Fontecha［5］把空泡作为示踪粒子，采用数字式粒子图像测速(PIV)技术对超空泡的尾迹进行了速度测量，应用Hart 算法进行数据处理，发现此种算法比标准的FFTS 算法更加准确可以得到更多有效的速度矢量信息，Hart 算法在进行数据处理时基于空泡的密度梯度而不是空泡的绝对密度。Martin 等［6］采用PIV 技术，把自然空化产生的空泡作为示踪粒子，得到了水翼尾流区域的时均速度分布，并采用简单有效的Masking 算法对PIV 图像进行处理，获得了水翼尾流区域的瞬时涡量;文献［7 -9］把通气空化产生的空泡作为示踪粒子，采用PIV 技术，对通气空化尾迹进行分析，得到尾流区域的时均速度分布和瞬时涡量分布，并且对PIV 采集到的图像进行灰度处理得到尾流区域各个位置的含气率。李向宾等［10-11］利用PIV 系统，把自然空化产生的空泡作为示踪粒子，对绕Tulin 水翼的速度场行了测量，得到了水翼在片状空化、云状空化以及超空化阶段的时均速度、时均涡量分布，并对超空化阶段尾流区域的瞬时速度、瞬时涡量以及瞬时速度梯度进行分析。张敏弟等［12］采用PIV 对空化水翼近壁处空化的流动机理进行了分析，得到了空化区域的速度场分布。

为了研究绕回转体的通气超空化的流场，本文利用PIV 系统，结合高速全流场显示技术，观测了绕圆头回转体通气超空化空泡发展的非定常过程，分析了通气超空化流场的空泡结构;观测了回转体尾流区域的速度与涡量分布，分析了通气超空化云雾状空泡的脱落对回转体尾流区域的影响。

1 实验装置和方法

1.1 空化水洞

文中所有实验均在循环式空化水洞中进行。如图1 所示该实验水洞的简图。

图1 高速空化水洞简图Fig.1 Schematic diagram of cavitation water tunnel system

基本部件包括实验段、收缩段、扩散段、回水管和进水管。收缩段长1.513 m，扩散段长1.043 m.采用额定转速1 480 r/min、功率55 kW 的电机带动一台轴流泵驱动水洞内的的循环水流。该泵位于实验段下方5 m 处，以减小因水泵的空化而对实验段的流动产生影响。水流速度通过一台交流变频器来调节，控制精度达0.01 Hz. 水洞实验段的最大流速可达到20 m/s ，常用工作速度为10 m/s. 采用PIV和高速全流场显示技术测定水洞工作段稳定速度u∞的范围为4.68 ～12.78 m/s，水速稳定性系数为0.71% ～1.93%，水洞降压维持能力为1.11% ～12.83%. 实验段上游有一体积为11 m3的大型水罐用来分离水流中可能包含的游离型气泡和实验中产生的气泡。罐的上部与一真空泵相连以控制系统中的压力，真空度调节范围为0 ～0.095 MPa，控制精度达0.005 MPa. 在罐的出口于实验段之间安装有一直角导流栅和一直线导流栅以减小水流的紊动度。实验用水为城市用自来水，使用前在地下蓄水池中已存放一定时间，这样可使水中所含气体充分溢出，保证了水中含气量和空化核子分布基本恒定。同时该水洞还配备了电磁流量计(精度等级0.5%)、扭矩仪、真空扬程仪等设施。水洞实验段为700 mm×70 mm ×190 mm 长方体形，其上部、下部和前侧面分别装有3 个高强度有机玻璃窗，以观察水洞中的流场情况，如图2 所示为回转体在水洞中的安装示意图。其中:L 为回转体长度，D 为回转体的直径。

图2 通气空化模型在实验段安装位置示意图Fig.2 Installation position of ventilated cavity model in the experimental section of cavitation water tunnel system

1.2 通气空化实验模型

实验模型采用圆头回转体实验模型采用侧支撑固定。如图3 所示，为了避免尾部产生的自然空化对通气空化尾流的影响，把回转体尾部设计成收缩段。

图3 实验模型Fig.3 The experimental model

1.3 测量装置

如图4(a)所示为高速全流场显示系统布置图。该系统由3 台镝灯、1 台高速摄像机和1 台用于显示储存实时图像的计算机组成。其中3 台镝灯功率均为1 kW，分别用做主辅光源。高速摄像机型号为HG-LE，采用CMOS 传感器为记录介质，最高采集频率可达105 帧/s，完全可以满足瞬时通气空化流动形态采集的需要。

如图4(b)所示为PIV 粒子测速系统。该系统由2 台50 mJ Nd:YAG 脉冲激光器、1 套分辨率为1 024像素×1 024 像素跨帧CCD 相机及1 台同步器组成，测量精度为0.5% ～2%. PIV 系统放置在实验段的前侧面，激光片光源从下部射入，照亮测量位置断面，采集相关图像。

将PIV 应用于通气超空化尾流流动的测量，存在2 个问题:1)示踪粒子的跟随性:粒子必须有足够小的直径以及与液(气)体相近的密度;2)通气超空化空泡尾流区域不规则的气液界面会导致示踪粒子反射的激光片光的散射，从而造成误判读。

图4 实验装置布局简图Fig.4 Schematic diagrams of experimental setup

图5 绕回转体通气空化尾流区域PIV 图像细节Fig.5 Detail of typical PIV image in the bubbly wake of ventilated cavity around a cylinder

采用播撒固态示踪粒子的方法观测，由于粒子不能进入空泡区域，只能研究通气空化尾流区域以外的流动状态，而不能显示通气空化尾流区域的流动。如图5 绕回转体通气空化尾流区域PIV 图像细节所示。由于通气超空化尾流区域内存在大量的气泡，采用气泡作为示踪粒子，使得通气超空化尾流区域流动结构的测量成为可能。同时由于其良好的跟随性，也很好地解决了播撒固态示踪粒子所带来的问题。

本文定义了通气率Qven、弗洛德数Fr、雷诺数Re 三个无量纲数:

式中:Qin为通气量;v 为来流速度;D 为回转体直径;g 为重力加速度;υ 为水的运动粘性。

2 实验结果与分析

2.1 通气超空化流场形态

如图6 所示实验观察到的不同工况下的绕圆头回转体通气超空化的空泡形态。其中图6(a)为Re=1.0 ×105，Fr =11.5 不同通气率下的通气超空化的空泡形态;图6(b)为Re =1.5 ×105，Fr =14.5不同通气率下的通气超空化的空泡形态;图6(c)为Re=2.0 ×105，Fr =19.5 不同通气率下的通气超空化的空泡形态。如图7 所示通气超空化空泡结构示意图。如图6 和图7 所示，当出现超空化现象时，空泡区域内前端为透明气相区，尾部是气相和水气相的两相混合区，形成云雾状空泡，在回转体尾缘处出现脱落空泡团。

图6 不同通气率下超空化空泡形态Fig.6 The shapes of ventilated cavities at different ventilation flow rates

为了深入研究绕圆头回转体通气超空化发展的非定常过程，如图8 所示Re =2.0 ×105，Fr =19.5，Qven=0.30，即出现超空化现象时，绕圆头回转体通气超空化空泡发展的非定常过程。在通气超空化空泡发展的整个过程中，空泡区域内前部流场比较平稳，为稳定的透明气相区;在空穴的尾部旋涡结构，此旋涡结构与主流相互作用产生大尺度的空泡云脱落，形成空泡尾迹。在整个脱落过程中激发了多种尺度旋涡结构的形成和发展，直接对回转体尾流速度场以及通气超空化空泡的稳定性产生了很大的影响。因此，将采用PIV 技术，对绕圆头回转体尾流区域的单相流场和通气超空化流场进行了测量，研究了通气超空化现象的产生对尾流速度场的影响。

2.2 通气超空化流场特性

图7 通气超空化空泡结构示意图Fig.7 Schematic diagram of ventilated supercavity

通气超空化云雾状空泡的脱落对回转体尾流区域流场结构有较大影响。对比分析Fr =19.5，Re =2.0 ×105，不通气率和Qven均为0.30，即出现通气超空化现象时回转体尾流区域的流场分布。如图9所示回转体尾流的PIV 测量区域示意图，测量的矩形区域长100 mm，宽50 mm.

图8 绕圆头回转体通气超空化空泡发展的非定常过程(Fr=19.5，Re=2.0 ×105，Qven =0.30)Fig.8 The unsteady process of development of ventilated supercavity around hemisphere cylinder(Fr=19.5，Re=2.0 ×105，Qven =0.30)

2.2.1 速度分布

如图10 和图11 所示，分别给出了不通气和Qven为0.30 情况下回转体尾流区域瞬时速度云图。可以看出:当Qven=0.30 时，在回转体尾缘处始终存在一个低速区域，随着空泡沿着主流方向的不断发展，在流场的下游也将出现一个低速区域;而当不通气时，流场中的低速区域只有一个，始终位于回转体尾缘处，随着时间的变化低速区域的范围发生改变。

图9 回转体尾流的PIV 测量区域示意图Fig.9 PIV measurement position in the wake

为了深入研究在整个通气超空化过程空泡团脱落对尾流区域速度场的影响，如图12 所示在不通气和Qven为0.30 时，回转体尾流区域的时均速度云图。可见，在不通气和Qven为0.30 二种情况下，速度分布相似，都可以分为2 个区域:1)在回转体尾流区域，速度明显低于主流区，且存在较大的速度梯度，称此速度剧烈变化的区域为低速高脉动区;2)其他区域，则基本没有大的速度波动，流场受回转体影响较小，故称此区域为主流区。当Qven为0.30 时，通气超空化现象的产生对回转体尾部流场的速度分布产生了较大的影响，在通气超空化阶段，回转体尾部存在大尺度空泡团的旋涡脱落现象，并逐渐向下游运动形成空化尾迹，低速区域上移，而且范围明显增大。

为了给出更直观的时均速度分布对比，在不通气和Qven为0.30 的情况下，提取了如图13 所示的一组特定截面上的时均速度分布。所取截面的位置，以回转体后缘顶点所在截面为起始，分别距其水平距离为x=10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm 和60 mm. 如图14 所示，给出了在不通气和Qven为0.30 时，不同截面位置时均速度分布对比。可发现:无论通气与否，不同截面位置处都存在速度突变点和波谷状的低速区域;当Qven为0.30 时即通气超空化阶段，相较于不通气流场，曲线下方速度突变点的位置基本一致，上方速度突变点的位置比不通气时靠上，是由云雾状空泡小幅度上漂造成的;各个截面处的速度较小，而且波谷状的低速区域所占面积较大，即低速区域的范围较大。

图10 不通气时回转体尾流区域瞬时速度云图(t 单位:ms)Fig.10 The instantaneous velocity distributions in the wake under no-ventilated condition (time unit:ms)

图11 Qven为0.30 时回转体尾流区域瞬时速度云图(t 单位:ms)Fig.11 The instantaneous velocity distributions in the wake when Qven =0.30 (time unit:ms)

图12 回转体尾流区域时均速度云图Fig.12 The time-averaged velocity distributions in the wake

2.2.2 涡量分布

涡量来源于流场存在的速度梯度，是描述有旋流动的一个运动学物理量，在通气空化现象中，涉及到流动分离、空泡团的脱落等情况，对涡量进行分析具有重要的意义。如图15 和图16 所示分别给出了不通气和Qven为0.30 情况下，回转体尾流区域流场的z 向瞬时涡量云图，z 向涡量定义为

图13 各截面位置示意图Fig.13 Positions of the different cross sections

图14 在不通气和Qven为0.30 时不同截面位置时均速度分布Fig.14 The time-averaged velocity distributions at the different cross sections

图15 不通气时回转体尾流区域瞬时涡量云图(t 单位:ms)Fig.15 The instantaneous vorticity distributions in wake without ventilating (time unit:ms)

图16 Qven为0.30 时回转体尾流区域瞬时涡量云图(t 单位:ms)Fig.16 The instantaneous vorticity distributions in wake for Qven =0.30 (time unit:ms)

由图15 和图16 可看出:不论通气与否，在各个时刻，回转体的尾流区域都存在不断变化的上下涡旋方向相反的涡量团，并且上涡量团的涡旋方向为顺时针，下涡量团的涡旋方向为逆时针;在Qven为0.30 情况下，与不通气情况相比，不仅在回转体尾缘处存在涡旋方向相反的涡量团，而且随着空泡不断向下游发展，在流场的下游也会产生涡旋方向相反的涡量团。

为了深入研究在整个通气超空化过程空泡团脱落对尾部涡量场的影响，如图17 所示，给出了回转体尾流区域时均涡量云图。可见:无论通气与否，涡量主要集中在回转体后部的剪切层所在区域，并形成涡带，且上下涡旋向相反。通气超空化尾流区域云雾状空泡的产生与发展对回转体尾缘的流场结构存在很重要的影响，当Qven为0.30时，相较于不通气流场，上下涡带随着空泡区域的延伸而向后拉长，作用范围亦逐渐扩大，涡量聚集区由最初的涡带转化为大涡量团的分散分布，并逐渐向下游耗散。

图17 回转体尾流区域时均涡量云图Fig.17 The time-averaged vorticity distributions in the wake

为了给出更直观的时均涡量分布对比，图18 给出了在不通气和Qven为0.30 时，不同截面位置时均涡量分布对比，可以发现:无论通气与否，不同截面位置处都存在波谷状的负涡量区域和波峰状的正涡量区域;当Qven为0.30 时即通气超空化阶段，在x=10 mm 截面处，波峰状的正涡量区域与不通气时基本一致，波谷状的负涡量区域比不通气时稍大，正负涡量的最大值都比不通气时稍小;在x =30 mm、40 mm、50 mm 和60 mm 截面处，无论是波峰状的正涡量区域还是波谷状的负涡量区域，都明显比不通气时要大的多，而且正负涡量的最大值都要比不通气时大;这表明通气超空化大尺度的云雾状空泡脱落，可以使回转体尾流区域上下涡带延伸而向后拉长，作用范围亦逐渐扩大。

图18 在不通气和Qven为0.30 时不同截面位置时均涡量分布对比Fig.18 The time-averaged vorticity distributions at the different cross sections

3 结论

本文采用PIV 系统和高速全流场显示技术，观测了绕圆头回转体通气超空化的尾迹流场，得到以下结论:

1)在通气超空化空泡发展的整个过程中，空泡区域内前部流场比较平稳，为稳定的透明气相区;回转体尾流区域是气相和水气两相混合区，空泡尾流区存在明显的旋涡结构，此旋涡结构与主流相互作用产生大尺度的空泡云脱落，最终形成超空化尾迹。

2)大尺度的云雾状空泡脱落对回转体尾部流场有较大影响，与不通气相比，使回转体尾流区域低速区域的范围明显增大，且低速区域内各个截面上的速度明显减小;上下涡量带随着空泡区域的延伸而向后拉长，作用范围亦逐渐扩大，涡量聚集区由最初的涡量带转化为大涡量团的分散分布，并逐渐向下游耗散。

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