云状空化的非定常流体动力特性

基于高速全流场显示和动态压力测量技术,实现了非定常空化空穴形态和壁面压力的同步测量.采用该方法,同步观察和测量了收缩—扩张流道内云状空化形态的准周期性变化及其对应的壁面压力波动特性,分析了压力信号频谱,讨论了非定常空穴形态变化和壁面压力波动的关系.结果表明:扩张段内云状空穴的发展过程呈现出附着型空穴生长,附着型空穴断裂、脱落以及脱落型空穴聚合、生长、溃灭的准周期过程.壁面压力波动的主导频率约为21 Hz,对应附着型空穴的准周期生长、断裂和大尺度脱落型空穴生长、溃灭;次级频率约为42Hz,对应小尺度脱落型空穴非定常变化.同时发现空穴变化和压力波动存在如下关系:在附着型空穴的生长阶段,其空穴前部稳定附着区域的压力波动较小,其尾部非稳定区域的压力波动较大;当附着型空穴发展至最大长度时,其尾部空泡的非定常波动会使得相应区域压力波动更加剧烈.伴随着反向射流的发展,附着型空穴断裂、脱落产生许多小尺度脱落型空穴,其生长、溃灭等非定常变化会使得相应区域的压力波动变得复杂.小尺度脱落型空穴逐渐聚合、生长形成单一的大尺度脱落型空穴,伴随着其不断的向下游移动,相关区域被其覆盖时压力波动减小,脱离其覆盖或者经历其溃灭过程时压力波动显著增大.     

热力学效应对非定常空化流动结构影响的实验研究

为了研究热力学效应对空化流动结构的影响,采用实验的方法研究了水温为6℃、25℃和45℃时绕水翼的非定常空化流场。利用高速全流场显示技术,观察了不同水温下绕水翼的空化流动形态,并利用数字粒子图像测速仪(DPIV)测量了其速度和涡量分布。结果表明:随着水温的升高,空穴区域减小,空穴长度减短。在相同的空化阶段,热力学效应对空泡的脱落周期影响较小,脱落周期基本不变。热力学效应对速度和涡量影响较大的区域主要集中在空化区域及其与主流区的交界面处。随着水温的升高,低速高脉动区域逐渐减小,且对应的速度值略有升高,导致速度梯度减小,湍流脉动强度降低。同时发现,涡量区域对应于流场中具有速度梯度的区域,上下涡量区域随着水温的升高减小,涡量值降低。     

绕水翼非定常空化流动的涡动力学分析

文章采用数值方法对绕水翼的非定常空化流动进行了流动计算,并采用涡动力学方法对非定常空化流场特性进行了分析。计算中,采用基于当地涡旋修正的湍流模型封闭控制方程,通过实验对该计算结果进行验证;采用涡量法分析了空化的发生和发展对涡量输运过程的影响。结果表明:基于当地涡旋修正的湍流模型可以准确地模拟水翼周围非定常空化流场结构;水翼空化流场具有强烈的非定常特性,空化的发展和流场中的涡结构有着紧密的联系;反向射流的作用会导致附着空穴尾缘附近速度梯度的非定常变化,是导致涡量产生和消失的重要因素;空化区域内部水气两相的质量交换会导致流场内体积变化率的变化,使得空化区域内部流体的非正压性显著增强,上述两者导致空化区域内部的涡量分布呈现强烈的非定常特性;空化现象引起的水气两相之间的相互转换以及对湍流的作用都是影响涡结构空间分布的重要因素。