绕圆头回转体通气空化流型的实验研究

2014-03-30王国玉付细能

实验流体力学 2014年4期

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

通气空泡是一种非常复杂的高速流动现象，涉及到多相流、湍流、质量输运、可压缩性和非定常性等复杂的流动机制。为了进一步研究通气空泡的流动机理，国内外学者进行了一系列通气空泡模型实验。Reichardt[1]首次提出通过人工通气的方法来研究超空泡；Campbell[2]提出了从局部空泡转为超空泡的准则； Vlasenko[3]观察了超空泡航行体在水下以亚音速和音速航行时的空泡形态，并得出轴对称超空泡尺寸和形状的经验公式；Semenenko[4]根据实验结果提出了回射流、双涡以及空泡振荡3种泄气方式并且确定了3种泄气方式的范围，总结了通气空泡的理论计算公式；Martin Wosnik和Roger EA Arndt[5-7]对绕回转体的通气空泡特性进行研究，得出空泡形态与通气率以及通气空化数的关系，分析了通气空泡的滞后效应，采用PIV技术对通气空泡尾流区域进行定量分析，并根据PIV的图像进行灰度处理得出空泡尾流区域的气体体积分数；E. Kawakami和Roger EA Arndt[8-9]分析了前支撑和后支撑对空泡形态的影响，通过改变空化器尺寸来改变弗洛德数从而分析弗洛德数以及洞壁效应对通气空泡的影响，观察到Semenenko[4]提出的回射流泄气和双涡2种泄气方式，并且发现了2对双涡泄气方式；冯雪梅、鲁传敬[10]利用压力传感器研究了通气空泡与自然空泡的波动研究；张敏弟[11-12]等采用高速全流场显示技术和动态应变式测力系统相结合研究了绕圆盘空化器自然空化和通气空化流动发展过程和动力特性；张学伟[13]等对局部空泡和超空泡两个阶段通气空泡的发展过程及水动力特性进行分析；袁绪龙[14]等研究了重力和空化器攻角对通气超空泡形态的影响。

为了深入了解通气空化流动现象，本文利用高速全流场显示技术，在循环式空化水洞下对绕圆头回转体通气空化流动进行观察，分析了绕圆头回转体通气空泡的流型以及流动参数对流型的影响，进一步描述了典型流型下通气空化的非定常过程。

1 实验系统

1.1空化水洞

实验在闭式水洞内进行，如图1所示，空化水洞系统主要由蓄水池、稳流除气罐、电机及调速系统、轴流泵、真空发生装置、实验段及管路组成。轴流泵位于实验段下方5m处，以防止驱动泵的空化。实验段上游的稳流除气罐用来分离水流中可能包含的游离型气泡。在罐的出口与实验段之间安装有直角导流栅和直线导流栅以减小水流的紊流度。罐上部的密闭空腔与真空泵相连以控制系统中的压力。有电机驱动轴流泵得到所需循环流动。

图1 空化水洞示意图

1.2瞬态形态观察

非定常通气空泡形态在时间和空间上的变化，是气液两相交换过程的直接反映，空泡形态的几何尺度反映了物质传递的发展程度，空泡随时间的变化反映了气液两相物质交换的强度，现有的高速摄像观测和图像处理技术可以对这个问题进行定性以及定量化的分析。图2给出了实验中所采用的高速摄像观察系统简图。本系统包括作为光源的镝灯、记录流场结构的高速摄像机和一台用于实时显示存储图像的计算机。其中三台镝灯功率皆为1kW，分别作为主光源和辅光源。记录流场图像的高速摄像机是美国柯达公司生产的HG-LE 型相机。HG-LE高速摄像机以CMOS传感器为记录介质，具有速度快，耗电量小且图像清晰的特点。其记录速度最高可达100,000帧/秒(fps)，完全能够满足空化流场研究的需要。

图2 高速摄像观察系统布置图

1.3实验模型

图3(a)为实验模型图，实验段长700mm、宽70mm、高190mm，实验模型采用侧支撑固定。圆头回转体长130mm、直径20mm，通气缝长1mm，如图3(b)和3(c)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。

(a) 模型在试验段的安装图

(b) 圆头回转体剖面图 (c) 圆头回转体

2 实验结果与分析

在本研究中定义了如下4个无量纲数：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：Qv为通气率，Fr为弗洛德数，Re为雷诺数，σc为通气空化数，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，ν为水的动力粘性，pc为通气空泡泡内压力，p为环境压力，ρ为水的密度。

2.1绕圆头回转体通气空泡多相流流型

重力效应和通气率对流场结构影响很大，因此定义弗洛德数和通气率来描述通气空化多相流流型，图4为绕圆头回转体通气空化多相流流型图，根据实验结果将绕圆头回转体通气空泡的多相流流型划分为5种：透明气泡、透明气弹、透明分层、水气混合以及半透明水气混合。透明气泡：透明空泡附着弹体，在重力的影响下呈现出明显非对称性，在倾斜空泡的上表面，空泡在剪切速度的作用下出现断裂并开始上漂，空泡在发展的过程中增大幅度不大，最终呈现比较均匀的细泡状空泡。透明气弹：透明非对称空泡附着弹体，由于通气量的增大，在倾斜空泡上表面断裂脱落气泡急剧增大发生变形，呈现大小较为均匀的子弹状。透明分层状：透明非对称空泡附着弹体，在倾斜空泡上表面没有出现明显气泡状或者气弹状空泡脱落断裂现象，在整个空泡发展过程形成稳定的水气界面。水气混合状：空泡没有明显倾斜，由于雷诺数较大、湍流强度较大且通气率较小，没有形成明显的透明空泡，在反向射流的作用下产生水气剧烈交换的云雾状空泡。半透明水气混合状：包裹弹体的空泡没有显著的非对称性，在空泡的前端呈现出水气界面清晰的稳定透明空泡；在空泡尾流区域即空泡闭合处，由于反向射流的作用产生水气剧烈交换的云雾状空泡。

图4 绕圆头回转体通气空泡多相流流型图

2.2流动参数对流型的影响

本节分析流动参数对流场结构的影响，根据实验观察将其分为2个阶段，即重力起主要作用阶段和重力效应不明显阶段。

2.2.1弗洛德数对流型影响

图5为通气率Qv等于0.12时弗洛德数Fr对流型的影响，随着弗洛德数的增大，流型由透明气泡经历透明分层、半透明水气混合转变为水气混合。如图5(a)所示，Fr=4.5时流型为透明气泡状，附着在弹体的透明空泡具有明显的非对称性，倾斜空泡的上表面在重力的作用下有小尺度的均匀细胞状空泡断裂上漂；如图5(b)所示，Fr= 6.8时流型为透明分层状，由于弗洛德数增大，重力作用减弱，空泡倾斜程度减小，倾斜空泡的上表面没有明显的空泡断裂脱落现象，附着在弹体表面的倾斜空泡为水气界面清晰的稳定透明空泡；如图5(c)所示，Fr=11.7时流型为半透明水气混合状，弗洛德数较大，重力效应已经不起主要作用，附着在弹体表面的空泡没有明显倾斜，空泡前端为水气界面明显的稳定透明空泡，在空泡尾部即空泡闭合区出现剧烈的水气混合区域；如图5(d)所示，Fr=14.7时流型为水气混合状，附着弹体表面的空泡没有倾斜，空泡前端水气界面受到空泡尾部区域即空泡闭合区的云雾状空泡冲击，在反向射流作用下空泡尾流区的云雾状空泡不断脱落。

(a) 透明气泡 (b) 透明分层

Fr=4.5，Qv=0.12Fr=6.8，Qv=0.12

图6为通气率Qv等于0.38时弗洛德数Fr对流型的影响，随着弗洛德数的增大，流型由透明气弹经历透明分层转变为半透明水气混合。如图6(a)所示，Fr=4.5时流型为透明气弹状，附着在弹体的透明空泡具有明显的非对称性，在重力作用下，倾斜空泡的上表面有较大尺度的子弹状空泡断裂上漂；如图6(b)所示，Fr=6.8时流型为透明分层状，由于弗洛德数增大，重力作用的影响减弱，空泡倾斜幅度减小，倾斜空泡的上表面没有明显的空泡断裂脱落现象，附着在弹体表面的倾斜空泡为水气界面清晰的稳定透明空泡；如图6(c)所示，Fr=11.7时流型为半透明水气混合状，弗洛德数较大，重力效应已经不起主要作用，附着在弹体表面的空泡没有明显的非对称性，空泡前端为水气界面明显的稳定透明空泡，在空泡尾部即空泡闭合区出现剧烈的水气混合区域；如图6(d)所示，Fr=14.7时流型为半透明水气混合状，与Fr=11.7时相比空泡尾流区域水气交换的程度更剧烈。

(a) 透明气弹 (b) 透明分层

Fr=4.5，Qv=0.38Fr=6.8，Qv=0.38

综上所述，当通气率一定时，通过改变来流速度来改变弗洛德数对通气空化的流型有较大影响。弗洛德数对流型的影响分为2个阶段，即重力效应起主要作用阶段和重力效应作用不明显阶段。在重力起主要作用的阶段，附着弹体的空泡均有明显倾斜；在重力作用显著的情况下，附着弹体上表面的空泡在剪切速度作用下发生断裂出现脱落，弗洛德数的增大使重力作用减弱，弹体上表面的空泡不易发生断裂，形成贴着弹壁稳定的透明空泡。在重力效应不明显阶段，重力对通气空泡的流场结构不起主要作用，附着弹体的空泡没有明显的非对称性；弗洛德数较小的工况下雷诺数也较小，湍流强度也较小，空泡尾流区域的湍流脉动较小，水气交换的程度较弱；随着弗洛德数的增大雷诺数也变大，流场的湍流强度增大，空泡尾流区域的湍流脉动增大，出现剧烈的水气交换。

2.2.2通气率对流型影响

本节分析弗洛德数Fr=1.3，即重力起主导作用时通气率Qv对通气空泡流型的影响，以及弗洛德数Fr=21.7即重力不起主导作用时通气率Qv对通气空泡流型的影响。

图7为弗洛德数Fr=1.3时, 通气率Qv对流型的影响。重力效应对通气空泡的流场结构起主导作用，各个通气率下空泡倾斜幅度基本一致；如图7(a)所示，Qv=0.11时多相流流型为透明气泡状，倾斜空泡的上表面出现小尺度细胞状空泡断裂；随着通气率的不断增大，流型由透明气泡状转变为透明气弹状，倾斜空泡的上表面出现较大尺度子弹状空泡断裂，如图7(b) 、7(c) 和7(d)所示。在重力效应对通气空泡流场结构起主导作用情况下，弗洛德数一定，随着通气率的增大，倾斜空泡上表面空泡断裂脱落的尺度不断增大。

(a) 透明气泡 (b) 透明气弹

Fr=1.3，Qv=0.11Fr=1.3，Qv=0.38

图8为弗洛德数Fr=21.7时，通气率Qv对流型的影响。重力对通气空泡的流场结构不起主导作用，附着在弹体的空泡没有明显倾斜。如图8(a)所示，Qv=0.04时多相流流型为水气混合状；随着通气率的增大多相流流型由水气混合状转变为半透明水气混合，如图8(b)、8(c)及8(d)所示。弗洛德数一定即来流速度一定，文章[6-7]指出增大通气率可以提高泡内压力，来流速度不变，环境压力一定，根据公式(4)可以判断通气空化数减小，因此空泡长度与空泡直径不断增大逐渐完全包裹弹体，空泡从云雾状空泡逐渐向透明空泡转变。

(a) 水汽混合 (b) 半透明水汽混合

Fr=21.7，Qv=0.04Fr=21.7，Qv=0.08

2.3典型流型下的非定常特性分析

文献[4,8-9]指出在水平水洞中，通气空化在不同流型下都会出现空泡的脱落现象，空泡发生脱落的原因有2种：在重力效应作用下的空泡断裂脱落现象以及在反向射流作用下的云雾状空泡脱落现象。本节针对这2种空泡脱落的非定常特性进行分析，选取透明气弹和水气混合这两种典型多相流流型。

图9为在重力效应作用下空泡发展的非定常过程，此种工况的多相流流型为透明气弹状，附着弹体的透明空泡具有明显的非对称性，在t时刻附着在弹体上表面的空泡的尾流区域出现大尺度透明空泡断裂，空泡断裂点位于弹体的中后区域，脱落空泡沿着主流方向运动并且在重力的作用下出现上漂现象，附着在弹体上表面的透明空泡沿着弹壁向弹体尾部发展，同时在浮力的作用下向上运动，在t+52ms时刻附着在弹体上表面的空泡在剪切速度的作用下断裂，空泡断裂点仍位于弹体的中后区域，空泡断裂脱落的周期为52ms，在空泡脱落断裂的整个准周期运动过程中，附着在弹体下表面的空泡没有明显变化。

图10为在反向射流作用下空泡发展的非定常过程，此种工况的多相流流型为水气混合。在t时刻，附着在弹体侧面的空泡已经断裂沿着主流方向运动；当脱落空泡运动到弹体尾部附近时，即在t+9ms时刻，附着在弹体上表面的空泡在反向射流作用下开始脱落并且沿着主流方向运动；当从弹体上表面脱落的空泡运动弹体尾部附近时，即t+18ms时刻，附着在弹体侧面的空泡生长发展到一定程度，并且在反向射流的作用下与主空泡区域断裂开。空泡发展的整个过程为空泡上下交替脱落的准周期运动过程，脱落周期为24ms。

t t+7ms t+14ms

t+21ms t+28ms t+34ms

t+40ms t+46ms t+52ms

t t+3ms t+6ms

t+9ms t+12ms t+15ms

t+18ms t+21ms t+24ms

3 结论

本文利用高速全流场显示技术，在循环式空化水洞下对绕圆头回转体通气空化流动进行观察，得出以下结论：

(1) 重力效应和通气率对通气空化的多相流流型起主要作用，定义了弗洛德数和通气率两个无量纲数，将绕圆头回转体通气空化分为5种多相流流型：透明气泡、透明气弹、透明分层、水气混合以及半透明水气混合；

(2) 流动参数对流型的影响分为2个阶段：重力起主要作用阶段和重力效应不明显阶段。在重力起主要作用阶段，通气率一定时，随着弗洛德数的增大，附着弹体的空泡倾斜程度减小，弹体上表面的断裂脱落空泡转变为贴着弹体壁面的稳定空泡；弗洛德数一定时，随着通气率的增大，倾斜空泡上表面空泡断裂脱落的尺度不断增大。在重力效应不明显阶段，通气率一定时，随着弗洛德数的增大，雷诺数也变大，流场的湍流强度增大，空泡尾流区域的湍流脉动增大，出现剧烈的水气交换；弗洛德数一定时，随着通气率的增大，由云雾状空泡逐渐转变为透明空泡；

(3) 描述了典型流型下通气空化发展的非定常过程，即透明气弹流型在重力作用下透明空泡断裂脱落，以及水气混合流型在反向射流作用下云雾状空泡交替脱落的准周期发展过程。

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