头型对回转体非定常空化流动特性影响的实验研究

胡常莉，王国玉

(北京理工大学 机械与车辆学院，北京 100081)

空化现象对高速航行体在水下航行过程中的水动力特性及操纵稳定性以及噪声特性有着重要的影响，研究回转体的空化流动特性对工程实际应用具有十分重要的意义。Ceccio S L 等[1]通过对不同头型轴对称体附着空穴内的水气阻抗测量发现了空泡体积的脉动规律。Rouse H 等[2]通过实验的研究得到了不同头型的回转体表面压力分布情况。May[3]研究了自然及通气空化状态下的回转体的动力脉动特性及特征频率与空泡形态之间的关系。Lindau等[4]通过数值计算的方法，分析了不同回转体空化形态发展与回转体阻力特性之间的关系，并研究了绕平头回转体空化流动的三维特性。Katz[5]研究了不同头型回转体的初生空化流动特性及其与流动分离的关系。黄彪等[6]研究了不同头型的回转体形态发展特征与动力瞬态特征的相关性规律。刘桦等[7]采用高速摄影技术对1/4平头轴对称体的空泡形态进行了实验研究，发现空泡形态的断裂会产生低频脉动现象。顾巍等[8]研究了回转体空泡流的噪声特性和空泡界面的瞬态特征。傅慧萍等[9]用数值计算的方法研究了不同回转体的空泡几何特征。刘海军等[10]通过数值模拟的方法研究了圆柱体出筒过程头型对流体动力特性的影响。目前，对不同头型回转体的空穴形态发展及其流场结构特性方面还鲜有研究。

本文综合高速全流场显示和PIV方法，研究了平头和半锥角为45°的锥头回转体在多种空化数下的空穴发展及流场结构特性并对比分析了二者的异同。

1 实验设备及方法

实验在一闭式循环空化水洞[11-12]进行。实验段的基本尺寸为0.19 m×0.07 m ×0.7 m。实验模型为平头回转体和半锥角为45°的锥头回转体，通过实验段的上下面及前侧面的透明有机玻璃窗观察空化的流动。图1为高速录像系统的示意图，实验时，采用1.2 kW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，采集速度设置为5 000 fps。图2给出了PIV测速系统的示意图，粒子成像测速仪(particle image velocimetry ,PIV)的基本组成包括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由实验段底部射入，照亮回转体一侧流场中的粒子，同时由计算机控制CCD/CMOS照相机拍摄图像并存储于计算机内，然后用专业的后处理软件对图像进行分析计算，最终得到流场的速度分布、涡量分布、湍流场的分布等测量结果。

图1 高速录像观察系统布置

实验中，无量纲参数空化数、雷诺数定义为：

(1)

(2)

式中：p∞、U∞、ρ、ν和pv分别为回转体头部中心上游0.21m处参考断面上的静压力、平均速度(速度剖面充分均匀)、水密度、水运动粘性系数和当地汽化压强；D为回转体横截面的最大直径。实验时，通过真空泵调节参考断面的压强进而调节空化数，流速为8.5 m/s,对应的雷诺数为1.7×105。

图2 PIV测速系统示意图

2 实验结果与讨论

2.1 空穴形态对比与分析

图3分别给出了平头及锥头回转体在4种不同空化数下最大空穴尺度的形态对比。可以发现，空化数为0.9时，2种回转体的空穴形态均以小尺度空泡呈游离状环绕在回转体的头部附近。当空化数降低到0.8时，2种回转体的空穴尺度均明显增大，空穴基本均匀包裹着回转体肩部的整个圆周，尤其是锥头回转体的肩部下游已出现似附着状空穴薄层且空穴起始位置位于肩部稍靠后的位置，如图3虚线框标示所示。随着空化数的降低，空化得以进一步的发展，2种回转体的空穴尺度均逐渐增大，且空穴界面渐变光滑清晰，呈椭球状。

图3 2种头型回转体的空泡形态对比

为了更好地研究随着空化数的变化，2种回转体的空穴发展特性及二者的差异，表1分别列出了2种回转体在不同空化数下，6个不同发展周期内的最大空穴尺度值，其中，统计量为最大空穴的长度Lmax及厚度Hmax，2种尺度的定义如图4所示。

由表1的数据可知，即使在相同的工况下，不同周期的空穴发展情况亦有所不同，因此，选用平均值作为该工况下的空穴特征尺度以分析两种回转体的空穴随空化数变化规律的差异，如图5所示，分别给出了2种回转体的最大空穴长度均值及厚度均值随空化数的变化曲线及各段的增长率值。由图5可以发现，相同空化数下，平头回转体的最大空穴尺度均明显大于锥头回转体的，尤其是最大空穴的厚度值；随着空化数的减小，2种回转体的最大空穴长度增长率均大于空穴厚度的增长率。

图4 最大空穴长度及厚度的示意图

表1 各工况下，最大空穴的长度及厚度统计表

空化流动具有非常明显的非定常特性，图6给出了空化数为0.7时，2种回转体的空穴形态随时间的演变过程。需要说明的是，图6中挑选了2种回转体的空穴发展周期相等的一组以更好地研究二者的空穴形态随时间发展规律的异同。对比发现，平头回转体的空穴在发展的过程中出现明显的空穴断裂及大尺度空泡团脱落的现象，不对称的空穴环绕在平头回转体的头部附近，表现出极其不稳定的状态；锥头回转体的空穴发展过程没有平头回转体剧烈，空穴并没有出现明显的断裂，由于空穴的厚度较薄，最大尺度的空穴逐渐被分散为无数个小尺度的空穴，随着时间的推移这些小尺度的空穴或继而脱落溃灭或重新融合进入下一个发展周期。

(a) 空穴长度均值

(b) 空穴厚度均值

(a) t0 (b) t0+2.2 ms

(c) t0+4.4 ms (d) t0+6.6 ms

(e) t0+8.8 ms (f) t0+11 ms

(g) t0+13.2 ms (h) t0+15.4 ms

2.2 流场对比与分析

图7给出了各空化数下2种回转体的时均速度u分布云图。2种头型的测量结果均表明，在试验工况下绕流回转体的流动发生分离，但相比于平头回转体，绕流锥头回转体的流动分离较小。随着空化数的减小，2种回转体的空穴对应的低速区域增大，分离区域也逐渐外扩，空穴厚度亦随之增大，相比于平头回转体，各空化数下，锥头回转体的低速区域均远小于平头回转体。另外，相同空化数下，相比于锥头回转体，平头回转体空穴对应的低速区域中最小速度值较小且速度梯度较大。空化数逐渐减小时，由于空化的发展加速了当地流场的动量交换，使速度趋于均匀从而低速区域的速度梯度亦有减小的趋势。注意到，空化数为0.7时，平头回转体的低速区域明显分为前后两部分，结合图6可知，空穴尾部大尺度空泡团的脱落演变过程正好对应于流场中后一部分的低速区域。

(a) 平头 σ=0.9

(b) 锥头 σ=0.9

(c) 平头 σ=0.8

(d) 锥头 σ=0.8

(e) 平头 σ=0.7

(f) 锥头 σ=0.7

(g) 平头 σ=0.6

(h) 锥头 σ=0.6

图8给出了2种回转体在不同空化数下的时均Z向涡量云图。这里，Z向涡量定义为：ωz=∂v/∂x-∂u/∂y。可以发现：1)各工况下，2种回转体的高涡量区明显分为两部分，一部分为肩部邻近的下游处，流动在该处发生明显的流动分离，此区域速度梯度较大(见图7)，因而始终存在比其他区域更大的涡量值，另一部分是与空穴区域相对应的区域。2)随着空化数减小，2种回转体的空穴进一步发展，虽然高涡量区域逐渐扩大，但是涡量的最大值却逐渐减小。3)相同空化数下，对比2种回转体的高涡量区域特点可知，平头回转体的高涡量区域更大且离回转体壁面更远，且由于平头回转体的空化发展更充分，其动量交换作用较强，所以空穴内部的高涡量值要小于锥头回转体。

湍动能是表征流场中速度脉动的一个物理量，时均湍动能分布从一定程度上可以反映流场的稳定性，如图9所示，由于PIV后处理软件功能的局限性，得到了与湍动能相当量的分布云图。可以看出，各空化数下，高湍动能区域基本对应于两回转体的空化区域。随着空化数的降低，空化不断发展，高湍动能的分布区域亦逐渐扩大。相同空化数时，平头回转体的高湍动能区域明显大于锥头回转体且最高湍动能值也较大，由此说明平头回转体空化流动过程中流场波动更强烈，稳定性较差。

(a) 平头 σ=0.9

(b) 锥头 σ=0.9

(c) 平头 σ=0.8

(d) 锥头 σ=0.8

(e) 平头 σ=0.7

(f) 锥头 σ=0.7

(g) 平头 σ=0.6

(h) 锥头 σ=0.6

(a) 平头 σ=0.9

(b) 锥头 σ=0.9

(c) 平头 σ=0.8

(d) 锥头 σ=0.8

(e) 平头 σ=0.7

(f) 锥头 σ=0.7

(g) 平头 σ=0.6

(h) 锥头 σ=0.6

3 结论

分别采用高速录像显示技术和PIV流场测量的实验方法，研究了绕平头和锥头回转体的空化形态及流场结构特性，所得结论如下：

1)回转体的头型对其空穴形态随空化数变化的发展特性有着重要的影响。相同空化数时，平头回转体的空穴最大尺度尤其是空穴的厚度远远大于锥头回转体的，而且平头回转体的最大空穴尺度随空化数的变化率亦大于锥头回转体。

2)回转体的头型影响空穴发展的非定常性及流场的稳定性。相同空化数时，平头回转体空穴形态的发展表现为大尺度空泡团的脱落及融合；而锥头回转体则为小尺度空穴的溃灭及再融合进而溃灭，空穴的脉动远不及平头回转体，且其流场的稳定性较好，因此更容易形成附着型空穴。

3)回转体空穴形态的发展特性与流场结构密切相关。回转体的空穴区域对应于低速高脉动区域。随着空化数的减小，空穴对流场结构的影响越来越显著，当地速度分布逐渐趋于均匀。

4)由2种回转体的空化流场特性可知，空穴在回转体肩部的分离区域内发展，随着空化数的降低，空穴不断发展，分离区域外扩，同时空穴内部流动脉动增强，从而导致高湍动能区域逐渐增大。

参考文献：

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