附著型空化非定常流動特性與機理研究

《附著型空化非定常流動特性與機理研究》是依託北京理工大學，由王國玉擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：附著型空化非定常流動特性與機理研究
• 依託單位：北京理工大學
• 項目負責人：王國玉
• 項目類別：面上項目

項目摘要

高速水流中發生的附著型空化包括了空穴的附著、發展、脈動、斷裂和潰滅等多種不同時間尺度的複雜非定常流動現象。空化非定常流動機理是空化研究的核心科學問題之一，同時也關係到航天、火力發電以及水下兵器等和國家安全以及國民經濟相關的重要領域的關鍵技術問題的解決。申請者將研究並發展非定常空化多場同步實驗技術，實現空化流動瞬態速度場、壁面壓強場和空穴形態的同步數據採集與處理分析；套用多場同步試驗技術，研究附著型空穴後部的湍流流動結構；測量分析空穴的脈動、脫落和潰滅引起的流體動力特性；分析空化非定常過程與湍流流動的相關特性，掌握空穴脈動、斷裂特別是潰滅對湍流流動的影響規律；將通過對空化區域湍流場實驗結果的分析與模化，改進現有的非定常空化流動的數值計算模型與方法；綜合運用實驗和數值計算的方法，研究附著型空穴尾部反向射流的形成和發展及其與空穴潰滅之間的關係，揭示空穴附著、發展、脈動和斷裂等複雜現象的流動機理。

結題摘要

空化現象經常會出現在螺旋槳、水輪機、水泵等流體機械的內部流動，以及高速水下航行體周圍。上述領域中的空化現象絕大多數是一種附著型的空化,空穴附著在繞流物體表面，其非定常過程包含了附著型空穴的生長、脫落、潰滅等複雜的非定常流動現象，空穴演變誘導的壓力脈動可能帶來振動、噪聲、空蝕等不良影響。 本文針對附著型非定常空化的流動及其流體動力特性，開展了實驗與數值研究。全文主要內容及創新性成果如下： （1）建立了基於空化水洞的空化流動多場同步測量系統，該系統將高速全流場顯示系統和壓力測量系統結合起來，實現了空穴形態和壓力脈動的同步採集。 （2）同步測量了收縮擴展流道內附著型非定常空化的空化形態和壓力脈動。獲得了壓力脈動的時域和頻域特性隨空化數的變化規律。獲取了雲狀空化空穴演變與壓力脈動的關聯特性。捕捉到了幅值為幾個大氣壓量級，時間尺度為微妙量級的壓力脈衝，壓力脈衝在流場中的傳播速度與當地的含氣量有關。依據壓力脈衝累積強度的分布規律發現，附著型空穴覆蓋區域的累積壓力脈衝強度遠遠小於附著型空穴尾部和脫落型空穴潰滅區域的累積壓力脈衝強度。另外，採用粒子圖像測速技術測量並分析了空穴的非定常發展過程對當地流場結構及湍流場的影響。 （3）揭示了雲狀空穴發展過程中空穴演變與其誘導壓力脈動的機理，以及雲狀空化的旋渦運動規律。基於實驗數據與數值計算結果，表明雲狀空穴準周期變化過程產生的壓力波動與空穴體積的二階導數成正比，並且基於簡化的單個空泡動力學方程的推導對上述結論進行了理論支撐。另外，採用拉格朗日分析方法、Q等值面和三維流線等方法呈現了雲狀空化的三維旋渦運動特性。 （4）獲得了主動通氣技術對雲狀空化流動非定常流體動力特性的調節作用。採用同步測量技術，獲取不同空化數和通氣率下的空穴形態和壁面壓力波動，發現主動通氣有效地抑制了雲狀空化潰滅產生的壓力脈衝，隨著通氣率的增加，附著型空泡斷裂、脫落的頻率顯著降低，使得整個擴張流道內的附著型空泡發展過程更加穩定，壓力脈動強度顯著降低。