表面塗層對繞水翼空化流動影響的研究

《表面塗層對繞水翼空化流動影響的研究》是依託北京理工大學，由張敏弟擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：表面塗層對繞水翼空化流動影響的研究
• 依託單位：北京理工大學
• 項目負責人：張敏弟
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

因塗覆工藝簡單、經濟且效果明顯，非金屬表面塗層用於流體機械葉片的耐蝕抗磨已深受人們的青睞，但對於塗層抗蝕機理仍不是十分清楚。本項目擬將多種實驗技術與數值模擬相結合，開展具有抗蝕作用的表面塗層對水翼空化性能影響的研究。開發介觀高速全流場顯示技術和介觀片光源流動顯示技術，結合圖像處理技術獲取繞帶有不同塗層的Clark-Y型水翼空化流動結構的定量信息，採用體視粒子圖像測試技術(SPIV)獲取流場關鍵平面的三維速度、渦量、湍流強度等運動參數的分布及其變化過程；進而通過數值模擬(CFD)分析繞帶有不同塗層水翼的空化流場近壁區內的壓力分布及變化過程。基於實驗與CFD的研究，討論繞無塗層和不同塗層水翼空化流場的區別，系統地研究抗蝕表面塗層對空泡初生、附著、生長、脫落和潰滅過程以及水動力學特性變化規律的影響，提出表面塗層對繞水翼空化流動影響的機理，從而為表面塗層抗蝕套用提供理論依據。

結題摘要

長期以來，空蝕嚴重影響著水泵、水輪機、閥門等過流部件及船舶螺旋槳等的性能與服役壽命。我國發電機組每年由於空蝕造成的發電損失約是三峽電站全年發電量的1.3倍，抗空蝕已經成為急需解決的關鍵技術問題。空化是空蝕的先決條件，塗層會影響剪下層內的流場，從而影響空化的產生。現階段塗層主要用於減阻的套用和空蝕實驗，並取得了一定的成果，但是對於塗層對空化性能的影響研究非常有限。本文開發設計了介觀高速全流場顯示技術和介觀粒子圖像測速，並與動態應變測力技術相結合，先對繞不同粗超度水翼空化的流場結構進行了研究，繼而對潤濕性塗層水翼空化的流動特性開展了實驗研究，基於實驗結果，確立了一套分析塗層對空化流動影響的數值計算方法，進一步討論了塗層對繞水翼的空化流動機理的影響。 採用多種實驗技術相結合開展了繞不同粗糙度水翼空化的流動結構和不同塗層水翼空化的流動結構、速度場、渦量場及湍動能分布和水翼升力的研究，討論了粗糙度和塗層對空化發展過程的流動結構、運動特性和動力特性的影響。指出塗層的粗糙度和材質共同影響繞水翼的空化流動結構，塗層材質對繞水翼雲狀空化的動力特性影響更為明顯。研究中，確定了發生初生空化、片狀空化和雲狀空化階段時的空化數範圍，討論了相同空化數時不同塗層空化的形態和強度的差異；比較了繞不同塗層水翼空化發展過程中各階段流動的運動特性，明確了不同塗層流場中低速區、渦團區和高湍動能脈動區區域的分布的差異。分析了繞不同塗層水翼空化流動的動力特性，指出了雲狀空化時，不同塗層水翼升力的主導頻率不同，且與流動結構中空化的變化周期相一致。 採用多種實驗技術和數值模擬方法討論了塗層對繞水翼空化流動影響的機理。塗層影響吸力面壓力遞增位置，導致繞不同塗層水翼的片狀空化強度和形態不同；塗層影響反向射流強度，低速區和渦量區位置不同，引起繞水翼的旋渦水汽混合區位置存在較大差異。片狀空化時，表面光滑的氟碳塗層的空化長度最小，低速區最小且區內速度波動也最弱，但區內的渦量分布更為集中，吸力面壓力曲線遞增區的位置距水翼頭部最近，影響速度場旋渦的位置，而速度場旋渦的位置又維持空化的長度；雲狀空化時，繞不同塗層水翼的局部低速區位置的各不相同，使透明空泡堆積位置也不同，且局部正渦量區位置的不同導致出現旋渦水汽混合區位置的也不同，在空穴尾部逆壓梯度引起反向射流，致使液相的水被帶入空穴，隨著反向射流的發展空穴形態的不斷改變。