水下主动通气空泡包裹水射流实验研究

李洋，王涵瑞，杨茂，刘红松，蒋运华,3

1.中山大学 海洋工程与技术学院, 广东 广州 510725

2.中国兵器装备集团有限公司 国营第一五二厂, 重庆 401120

3.南方海洋科学与工程广东省实验室 (珠海), 广东 珠海 519000

高压水射流是通过喷嘴将得到的高压流体约束成形状各异的高速水流束[1−2]，其在航空航天、机械、化学工业、采矿和水利工程等诸多领域有着广泛的应用[3−4]。根据工作环境介质的不同，可以将水射流分为淹没水射流和非淹没水射流。淹没水射流在水下工作面临的主要问题是水的密度比空气大很多，但水射流的直径一般较小，水射流与环境中的水接触后，由于水产生的阻力会损失很大一部分能量，导致水射流冲击能力减弱、效率降低。本文提出通过主动通气的方式使气射流与水射流互相作用形成气液两相流，提高其工作效率。

Weiland等[5]对圆形喷嘴水射流进行了水下实验，发现在水下水射流会出现夹断现象，此外Rayleigh-Taylor不稳定与Kelvin-Helmholtz不稳定都对水下射流的运动有较大影响。Liu等[6]通过实验与数值模拟的方法研究了淹没高压水射流的冲击能力和流动特性，验证了剪切效应对淹没射流发生空化的影响，淹没射流的冲击能力受到空化与射流压力的共同作用。Qian等[7]研究了水下水射流清除泥沙的特性，验证了泥沙孔隙率对淹没水射流冲刷深度的影响。Jiang等[8−10]采用主动通气的方式在水下形成气液两相流，结果表明形成空泡能够减小航行体在水下的阻力。靳成才等[11]对淹没水射流冲击天然气水合物沉积物的过程进行数值模拟，结果表明在水射流入射角度增大过程中，冲蚀体积先增大后减小，最后趋于稳定。

针对淹没水射流目前存在的问题，本文提出通过主动通气的方式使得水射流在离开喷嘴后的一段距离内被空泡包裹，从而与环境中的液体相隔离。本文主要进行了水下气液两相流实验，研究了两相流的流动特性与影响因素，并对射流的两相结构进行了分析。

1 实验方法

1.1 实验装置

图1为水下气液两相流流场测量装置示意。实验装置主要分为两相流生成装置、高速成像装置、供水装置、供气装置以及实验水箱。

图1 水下气液两相流流场测量装置

实验水箱由透明有机玻璃材质制成，水箱长×宽×高为 2 m×1.2 m×0.6 m。两相流生成装置主要包括实验模型、连接板和模型支撑结构，模型支撑结构平放在水箱底部，其中轴线方向与水箱侧壁方向平行，实验模型通过连接板连接在模型支撑结构上。

供气系统输送的空气由空气压缩机通过管路输出，经过压力表、微调阀门以及气体流量计进入实验模型内部，再由射流喷嘴进入实验水箱。空气压缩机的最大排气压力为0.8 MPa，通气流量为 0~240 SLPM。

而实验使用的高压水射流则由柱塞泵通过管道送出，经单向阀、压力表、液体流量计以及相关管路进入水箱。柱塞泵的工作压力为0~10 MPa。

实验采用的高速相机型号为Photron Fastcam Mini AX200，分辨率为 1 024 像素×1 024 像素，拍摄速度为6 400 fps。为保证能拍摄到清晰的两相流影像，在水箱正后方布置了12盏功率为100 W的LED灯，排列方式为3排4列。

1.2 实验模型

实验喷嘴模型是由铝加工制成的圆柱组合体，其表面经过抛光打磨处理，模型总体长度L0=72mm，最大直径D0= 32mm。模型头部段形状为平头，开设喷口直径Dn为2 mm和3 mm，通气环孔直径Dg为 4 、5、6、7、8和 9 mm，其内部设置多个通孔分别连接气体管路与液体管路，如图2所示。

图2 实验模型内部结构

1.3 实验方案

实验在室温室压、水箱注水高度（水面高度到水箱底部的距离）h= 550 mm 的条件下进行。实验过程中改变的参数主要为通气流量(Q)、水射流压力(Pn)、喷口直径(Dn)和通气环孔直径(Dg)。通气流量的变化为0~40 SLPM，水射流压力为0~5 MPa。空泡长度的定义如图3所示。

图3 空泡长度定义

实验中，标准情况下的喷气系数定义为

式中：Q为 通气流量，SLPM；Vn为水射流速度，m/s；Dn为喷口直径，mm。

所有实验结果均以无量纲的形式呈现。

2 实验结果与分析

2.1 通气空泡运动演化过程

图4是通气流量Q=25SLPM、水射流压力Pn=5MPa 、喷口直径Dn=3mm、通气环孔直径Dg=7mm、每张图片的时间间隔△t＝0.781 25 ms时通气空泡演化过程。由于在淹没状态下气体压力存在脉动，导致通气空泡的形态变化过程具有明显的周期性。初始时刻，通入的气体不足以将喷嘴出口附近的液体排开，此时形成的主要是破碎的小空泡，无法将水射流完全包裹。随着时间的推移，通气环孔喷出的气体越来越多，开始形成能将水射流完全包裹的空泡，并沿着射流轴向与径向同步扩张，空泡的最大长度与最大直径也在不断增大。在空泡沿轴向和径向扩张到极限处后，空泡的最大形态能维持一定时间。但此后由于喷嘴出口处的气体流量不断减少，空泡在轴向和径向上均开始收缩，直至无法完全包裹住水射流，最终发生溃灭。

图4 通气空泡运动演化过程(Q =25SLPM、 P n=5MPa、 D n=3mm、 D g=7mm、 ∆ t=0.78125ms)

在空泡发展的整个过程中，形成的通气空泡虽然受到浮力的影响，但并未向上逸出，主要原因是通入的气体流量相对较小，而此时水射流的速度较大，导致气射流与水射流的速度差较大，气射流受到水射流的作用不断向前运动。此外，由于气体压力脉动的影响，每一个周期内空泡形态都是膨胀与颈缩交替出现，空泡长度具有明显的周期性，如图4所示。图5给出了喷流直径Dn=2mm、通气环孔直径Dg=6mm、通气流量Q=25SLPM时，3个周期内最大空泡长度随时间的变化关系。可以看出，最大空泡长度的随时间的变化规律具有明显的周期性，在每一个周期内，最大空泡长度都是先增大后减小，在每个周期内都会出现一个峰值。而通气流量对空泡发展特性的影响主要体现在最大空泡长度、最大空泡体积以及空泡周期方面，通气流量越大，每个周期中最大空泡长度的峰值越大、最大空泡体积越大、空泡周期越长。

图5 空泡长度随时间的变化关系

2.2 通气流量的影响

为了探究通气流量对通气空泡的影响，图6给出了不同喷口直径、不同通气环孔直径时空泡长度随通气系数的变化关系。可以看出，在喷口直径与通气环孔直径不变的情况下，通气空泡长度均随通气系数的增大而增加，而且这种增长关系表现出一定的线性趋势。但在相同喷口直径、不同通气环孔直径的情况下，这种线性增长的斜率不同。如图6所示，在通气环孔直径Dg=6mm时，斜率为9.0，但在通气环孔直径Dg=8mm时，斜率为13.6。值得注意的是，在小通气系数下，由于通入的气体流量较小，导致无法形成空泡包裹水射流，此时形成的多相流为液体与气体互相混合的气液两相流，两者之间未出现明显的分层。只有当通气系数达到一定值时，才能形成完全包裹水射流的空泡，出现数据点，如图6所示。

图6 空泡长度与通气系数的变化关系

为了研究通气流量对空泡运动状态的影响，在图7中给出了空泡周期随通气系数的变化关系。从图7中可知，通气空泡的发展过程可以分为空泡持续发展阶段和间歇阶段2个阶段。2个阶段交替出现，使通气空泡的形态呈周期变化。在持续发展阶段，通气空泡的体积不断增大，逐渐将水射流完全包裹，保持一定时间的稳定后，体积逐渐减小，最终完全溃灭；在间歇阶段，由于气流压力较小，无法形成包裹水射流的空泡，此时通入的气体完全与水射流混合，形成不分层的气液两相流，如图4所示。这个现象与Hutli[12]的描述相匹配。

图7 空泡周期与通气系数的变化关系(D n=2mm,Dg=6mm)

另外，随着通气系数的增大，空泡的持续期不断增加，间歇期在逐渐减小，如图7所示。产生这一现象的主要原因是气射流传递给水射流以及环境中的液体的动量不同，同时与形成的最大空泡长度有关，形成的空泡长度越大，其衰减至溃灭所需要的时间就越多，导致间歇阶段的持续时间被压缩。

2.3 液体流量对通气空泡的影响

液体流量对通气空泡的影响主要表现在对空泡形态与运动状态的改变。在射流流量较小时（图8（a）），空泡整体形状表现出明显的不对称。以水射流中心轴线为对称轴，在空泡的扩张过程中，对称线上方的空泡体积明显要比对称轴下方的空泡体积大得多，且上方空泡边缘部分距喷嘴出口处的距离也较大。当射流流量较大时（图8（b）），空泡整体形状的不对称性明显减弱，空泡扩张过程中，轴线两侧的空泡形态基本保持对称。

图8 液体流量对空泡形态的影响

图9给出了不同液体流量时最大空泡长度随通气系数以及通气流量的变化关系。可以看出，液体流量会显著影响到空泡长度随通气流量的变化速率，液体流量越小，空泡长度随通气流量的增长速率越大。

图9 不同液体流量时空泡长度与通气系数的变化关系(D n=3mm)

3 结论

本文对基于通气空泡的气液两相射流进行了实验研究，得出以下结论：

1）通气空泡的运动演化过程具有明显的周期性，空泡整体先扩张后收缩，具体表现为空泡长度与空泡体积先增大后减小，但达到最大形态后能维持一定时间。

2）空泡长度随通气系数的增大而增大，两者之间呈线性关系。通气环孔直径越大，其增长斜率越大。

3）液体流量的改变会显著影响通气空泡的运动状态与形态特征，在其他条件相同时，液体流量越小，空泡形态关于射流中轴线的不对称程度越剧烈。此外，液体流量越大，空泡长度随通气系数的增长率越小。