繞圓頭回轉(zhuǎn)體通氣空化流型的實(shí)驗(yàn)研究

段 磊, 王國(guó)玉, 付細(xì)能

(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院, 北京 100081)

0 引 言

通氣空泡是一種非常復(fù)雜的高速流動(dòng)現(xiàn)象，涉及到多相流、湍流、質(zhì)量輸運(yùn)、可壓縮性和非定常性等復(fù)雜的流動(dòng)機(jī)制。為了進(jìn)一步研究通氣空泡的流動(dòng)機(jī)理，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一系列通氣空泡模型實(shí)驗(yàn)。Reichardt[1]首次提出通過人工通氣的方法來研究超空泡；Campbell[2]提出了從局部空泡轉(zhuǎn)為超空泡的準(zhǔn)則； Vlasenko[3]觀察了超空泡航行體在水下以亞音速和音速航行時(shí)的空泡形態(tài)，并得出軸對(duì)稱超空泡尺寸和形狀的經(jīng)驗(yàn)公式；Semenenko[4]根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了回射流、雙渦以及空泡振蕩3種泄氣方式并且確定了3種泄氣方式的范圍，總結(jié)了通氣空泡的理論計(jì)算公式；Martin Wosnik和Roger EA Arndt[5-7]對(duì)繞回轉(zhuǎn)體的通氣空泡特性進(jìn)行研究，得出空泡形態(tài)與通氣率以及通氣空化數(shù)的關(guān)系，分析了通氣空泡的滯后效應(yīng)，采用PIV技術(shù)對(duì)通氣空泡尾流區(qū)域進(jìn)行定量分析，并根據(jù)PIV的圖像進(jìn)行灰度處理得出空泡尾流區(qū)域的氣體體積分?jǐn)?shù)；E. Kawakami和Roger EA Arndt[8-9]分析了前支撐和后支撐對(duì)空泡形態(tài)的影響，通過改變空化器尺寸來改變弗洛德數(shù)從而分析弗洛德數(shù)以及洞壁效應(yīng)對(duì)通氣空泡的影響，觀察到Semenenko[4]提出的回射流泄氣和雙渦2種泄氣方式，并且發(fā)現(xiàn)了2對(duì)雙渦泄氣方式；馮雪梅、魯傳敬[10]利用壓力傳感器研究了通氣空泡與自然空泡的波動(dòng)研究；張敏弟[11-12]等采用高速全流場(chǎng)顯示技術(shù)和動(dòng)態(tài)應(yīng)變式測(cè)力系統(tǒng)相結(jié)合研究了繞圓盤空化器自然空化和通氣空化流動(dòng)發(fā)展過程和動(dòng)力特性；張學(xué)偉[13]等對(duì)局部空泡和超空泡兩個(gè)階段通氣空泡的發(fā)展過程及水動(dòng)力特性進(jìn)行分析；袁緒龍[14]等研究了重力和空化器攻角對(duì)通氣超空泡形態(tài)的影響。

為了深入了解通氣空化流動(dòng)現(xiàn)象，本文利用高速全流場(chǎng)顯示技術(shù)，在循環(huán)式空化水洞下對(duì)繞圓頭回轉(zhuǎn)體通氣空化流動(dòng)進(jìn)行觀察，分析了繞圓頭回轉(zhuǎn)體通氣空泡的流型以及流動(dòng)參數(shù)對(duì)流型的影響，進(jìn)一步描述了典型流型下通氣空化的非定常過程。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1空化水洞

實(shí)驗(yàn)在閉式水洞內(nèi)進(jìn)行，如圖1所示，空化水洞系統(tǒng)主要由蓄水池、穩(wěn)流除氣罐、電機(jī)及調(diào)速系統(tǒng)、軸流泵、真空發(fā)生裝置、實(shí)驗(yàn)段及管路組成。軸流泵位于實(shí)驗(yàn)段下方5m處，以防止驅(qū)動(dòng)泵的空化。實(shí)驗(yàn)段上游的穩(wěn)流除氣罐用來分離水流中可能包含的游離型氣泡。在罐的出口與實(shí)驗(yàn)段之間安裝有直角導(dǎo)流柵和直線導(dǎo)流柵以減小水流的紊流度。罐上部的密閉空腔與真空泵相連以控制系統(tǒng)中的壓力。有電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸流泵得到所需循環(huán)流動(dòng)。

圖1 空化水洞示意圖

1.2瞬態(tài)形態(tài)觀察

非定常通氣空泡形態(tài)在時(shí)間和空間上的變化，是氣液兩相交換過程的直接反映，空泡形態(tài)的幾何尺度反映了物質(zhì)傳遞的發(fā)展程度，空泡隨時(shí)間的變化反映了氣液兩相物質(zhì)交換的強(qiáng)度，現(xiàn)有的高速攝像觀測(cè)和圖像處理技術(shù)可以對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行定性以及定量化的分析。圖2給出了實(shí)驗(yàn)中所采用的高速攝像觀察系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。本系統(tǒng)包括作為光源的鏑燈、記錄流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的高速攝像機(jī)和一臺(tái)用于實(shí)時(shí)顯示存儲(chǔ)圖像的計(jì)算機(jī)。其中三臺(tái)鏑燈功率皆為1kW，分別作為主光源和輔光源。記錄流場(chǎng)圖像的高速攝像機(jī)是美國(guó)柯達(dá)公司生產(chǎn)的HG-LE 型相機(jī)。HG-LE高速攝像機(jī)以CMOS傳感器為記錄介質(zhì)，具有速度快，耗電量小且圖像清晰的特點(diǎn)。其記錄速度最高可達(dá)100,000幀/秒(fps)，完全能夠滿足空化流場(chǎng)研究的需要。

圖2 高速攝像觀察系統(tǒng)布置圖

1.3實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖3(a)為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D，實(shí)驗(yàn)段長(zhǎng)700mm、寬70mm、高190mm，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎脗?cè)支撐固定。圓頭回轉(zhuǎn)體長(zhǎng)130mm、直徑20mm，通氣縫長(zhǎng)1mm，如圖3(b)和3(c)所示。為了避免尾部產(chǎn)生的自然空化對(duì)通氣空化尾流的影響，把回轉(zhuǎn)體尾部設(shè)計(jì)成收縮段。

(a) 模型在試驗(yàn)段的安裝圖

(b) 圓頭回轉(zhuǎn)體剖面圖 (c) 圓頭回轉(zhuǎn)體

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在本研究中定義了如下4個(gè)無量綱數(shù)：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：Qv為通氣率，F(xiàn)r為弗洛德數(shù)，Re為雷諾數(shù)，σc為通氣空化數(shù)，Qin為通氣量，V為來流速度，D為回轉(zhuǎn)體直徑，g為重力加速度，ν為水的動(dòng)力粘性，pc為通氣空泡泡內(nèi)壓力，p為環(huán)境壓力，ρ為水的密度。

2.1繞圓頭回轉(zhuǎn)體通氣空泡多相流流型

重力效應(yīng)和通氣率對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)影響很大，因此定義弗洛德數(shù)和通氣率來描述通氣空化多相流流型，圖4為繞圓頭回轉(zhuǎn)體通氣空化多相流流型圖，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果將繞圓頭回轉(zhuǎn)體通氣空泡的多相流流型劃分為5種：透明氣泡、透明氣彈、透明分層、水氣混合以及半透明水氣混合。透明氣泡：透明空泡附著彈體，在重力的影響下呈現(xiàn)出明顯非對(duì)稱性，在傾斜空泡的上表面，空泡在剪切速度的作用下出現(xiàn)斷裂并開始上漂，空泡在發(fā)展的過程中增大幅度不大，最終呈現(xiàn)比較均勻的細(xì)泡狀空泡。透明氣彈：透明非對(duì)稱空泡附著彈體，由于通氣量的增大，在傾斜空泡上表面斷裂脫落氣泡急劇增大發(fā)生變形，呈現(xiàn)大小較為均勻的子彈狀。透明分層狀：透明非對(duì)稱空泡附著彈體，在傾斜空泡上表面沒有出現(xiàn)明顯氣泡狀或者氣彈狀空泡脫落斷裂現(xiàn)象，在整個(gè)空泡發(fā)展過程形成穩(wěn)定的水氣界面。水氣混合狀：空泡沒有明顯傾斜，由于雷諾數(shù)較大、湍流強(qiáng)度較大且通氣率較小，沒有形成明顯的透明空泡，在反向射流的作用下產(chǎn)生水氣劇烈交換的云霧狀空泡。半透明水氣混合狀：包裹彈體的空泡沒有顯著的非對(duì)稱性，在空泡的前端呈現(xiàn)出水氣界面清晰的穩(wěn)定透明空泡；在空泡尾流區(qū)域即空泡閉合處，由于反向射流的作用產(chǎn)生水氣劇烈交換的云霧狀空泡。

圖4 繞圓頭回轉(zhuǎn)體通氣空泡多相流流型圖

2.2流動(dòng)參數(shù)對(duì)流型的影響

本節(jié)分析流動(dòng)參數(shù)對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響，根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察將其分為2個(gè)階段，即重力起主要作用階段和重力效應(yīng)不明顯階段。

2.2.1弗洛德數(shù)對(duì)流型影響

圖5為通氣率Qv等于0.12時(shí)弗洛德數(shù)Fr對(duì)流型的影響，隨著弗洛德數(shù)的增大，流型由透明氣泡經(jīng)歷透明分層、半透明水氣混合轉(zhuǎn)變?yōu)樗畾饣旌稀Ｈ鐖D5(a)所示，F(xiàn)r=4.5時(shí)流型為透明氣泡狀，附著在彈體的透明空泡具有明顯的非對(duì)稱性，傾斜空泡的上表面在重力的作用下有小尺度的均勻細(xì)胞狀空泡斷裂上漂；如圖5(b)所示，F(xiàn)r= 6.8時(shí)流型為透明分層狀，由于弗洛德數(shù)增大，重力作用減弱，空泡傾斜程度減小，傾斜空泡的上表面沒有明顯的空泡斷裂脫落現(xiàn)象，附著在彈體表面的傾斜空泡為水氣界面清晰的穩(wěn)定透明空泡；如圖5(c)所示，F(xiàn)r=11.7時(shí)流型為半透明水氣混合狀，弗洛德數(shù)較大，重力效應(yīng)已經(jīng)不起主要作用，附著在彈體表面的空泡沒有明顯傾斜，空泡前端為水氣界面明顯的穩(wěn)定透明空泡，在空泡尾部即空泡閉合區(qū)出現(xiàn)劇烈的水氣混合區(qū)域；如圖5(d)所示，F(xiàn)r=14.7時(shí)流型為水氣混合狀，附著彈體表面的空泡沒有傾斜，空泡前端水氣界面受到空泡尾部區(qū)域即空泡閉合區(qū)的云霧狀空泡沖擊，在反向射流作用下空泡尾流區(qū)的云霧狀空泡不斷脫落。

(a) 透明氣泡 (b) 透明分層

Fr=4.5，Qv=0.12Fr=6.8，Qv=0.12

(c) 半透明水汽混合 (d) 水汽混合

圖6為通氣率Qv等于0.38時(shí)弗洛德數(shù)Fr對(duì)流型的影響，隨著弗洛德數(shù)的增大，流型由透明氣彈經(jīng)歷透明分層轉(zhuǎn)變?yōu)榘胪该魉畾饣旌稀Ｈ鐖D6(a)所示，F(xiàn)r=4.5時(shí)流型為透明氣彈狀，附著在彈體的透明空泡具有明顯的非對(duì)稱性，在重力作用下，傾斜空泡的上表面有較大尺度的子彈狀空泡斷裂上漂；如圖6(b)所示，F(xiàn)r=6.8時(shí)流型為透明分層狀，由于弗洛德數(shù)增大，重力作用的影響減弱，空泡傾斜幅度減小，傾斜空泡的上表面沒有明顯的空泡斷裂脫落現(xiàn)象，附著在彈體表面的傾斜空泡為水氣界面清晰的穩(wěn)定透明空泡；如圖6(c)所示，F(xiàn)r=11.7時(shí)流型為半透明水氣混合狀，弗洛德數(shù)較大，重力效應(yīng)已經(jīng)不起主要作用，附著在彈體表面的空泡沒有明顯的非對(duì)稱性，空泡前端為水氣界面明顯的穩(wěn)定透明空泡，在空泡尾部即空泡閉合區(qū)出現(xiàn)劇烈的水氣混合區(qū)域；如圖6(d)所示，F(xiàn)r=14.7時(shí)流型為半透明水氣混合狀，與Fr=11.7時(shí)相比空泡尾流區(qū)域水氣交換的程度更劇烈。

(a) 透明氣彈 (b) 透明分層

Fr=4.5，Qv=0.38Fr=6.8，Qv=0.38

(c) 半透明水汽混合 (d) 半透明水汽混合

綜上所述，當(dāng)通氣率一定時(shí)，通過改變來流速度來改變弗洛德數(shù)對(duì)通氣空化的流型有較大影響。弗洛德數(shù)對(duì)流型的影響分為2個(gè)階段，即重力效應(yīng)起主要作用階段和重力效應(yīng)作用不明顯階段。在重力起主要作用的階段，附著彈體的空泡均有明顯傾斜；在重力作用顯著的情況下，附著彈體上表面的空泡在剪切速度作用下發(fā)生斷裂出現(xiàn)脫落，弗洛德數(shù)的增大使重力作用減弱，彈體上表面的空泡不易發(fā)生斷裂，形成貼著彈壁穩(wěn)定的透明空泡。在重力效應(yīng)不明顯階段，重力對(duì)通氣空泡的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)不起主要作用，附著彈體的空泡沒有明顯的非對(duì)稱性；弗洛德數(shù)較小的工況下雷諾數(shù)也較小，湍流強(qiáng)度也較小，空泡尾流區(qū)域的湍流脈動(dòng)較小，水氣交換的程度較弱；隨著弗洛德數(shù)的增大雷諾數(shù)也變大，流場(chǎng)的湍流強(qiáng)度增大，空泡尾流區(qū)域的湍流脈動(dòng)增大，出現(xiàn)劇烈的水氣交換。

2.2.2通氣率對(duì)流型影響

本節(jié)分析弗洛德數(shù)Fr=1.3，即重力起主導(dǎo)作用時(shí)通氣率Qv對(duì)通氣空泡流型的影響，以及弗洛德數(shù)Fr=21.7即重力不起主導(dǎo)作用時(shí)通氣率Qv對(duì)通氣空泡流型的影響。

圖7為弗洛德數(shù)Fr=1.3時(shí), 通氣率Qv對(duì)流型的影響。重力效應(yīng)對(duì)通氣空泡的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)起主導(dǎo)作用，各個(gè)通氣率下空泡傾斜幅度基本一致；如圖7(a)所示，Qv=0.11時(shí)多相流流型為透明氣泡狀，傾斜空泡的上表面出現(xiàn)小尺度細(xì)胞狀空泡斷裂；隨著通氣率的不斷增大，流型由透明氣泡狀轉(zhuǎn)變?yōu)橥该鳉鈴棤睿瑑A斜空泡的上表面出現(xiàn)較大尺度子彈狀空泡斷裂，如圖7(b) 、7(c) 和7(d)所示。在重力效應(yīng)對(duì)通氣空泡流場(chǎng)結(jié)構(gòu)起主導(dǎo)作用情況下，弗洛德數(shù)一定，隨著通氣率的增大，傾斜空泡上表面空泡斷裂脫落的尺度不斷增大。

(a) 透明氣泡 (b) 透明氣彈

Fr=1.3，Qv=0.11Fr=1.3，Qv=0.38

(c) 透明氣彈 (d) 透明氣彈

圖8為弗洛德數(shù)Fr=21.7時(shí)，通氣率Qv對(duì)流型的影響。重力對(duì)通氣空泡的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)不起主導(dǎo)作用，附著在彈體的空泡沒有明顯傾斜。如圖8(a)所示，Qv=0.04時(shí)多相流流型為水氣混合狀；隨著通氣率的增大多相流流型由水氣混合狀轉(zhuǎn)變?yōu)榘胪该魉畾饣旌希鐖D8(b)、8(c)及8(d)所示。弗洛德數(shù)一定即來流速度一定，文章[6-7]指出增大通氣率可以提高泡內(nèi)壓力，來流速度不變，環(huán)境壓力一定，根據(jù)公式(4)可以判斷通氣空化數(shù)減小，因此空泡長(zhǎng)度與空泡直徑不斷增大逐漸完全包裹彈體，空泡從云霧狀空泡逐漸向透明空泡轉(zhuǎn)變。

(a) 水汽混合 (b) 半透明水汽混合

Fr=21.7，Qv=0.04Fr=21.7，Qv=0.08

(c) 半透明水汽混合 (d) 半透明水汽混合

2.3典型流型下的非定常特性分析

文獻(xiàn)[4,8-9]指出在水平水洞中，通氣空化在不同流型下都會(huì)出現(xiàn)空泡的脫落現(xiàn)象，空泡發(fā)生脫落的原因有2種：在重力效應(yīng)作用下的空泡斷裂脫落現(xiàn)象以及在反向射流作用下的云霧狀空泡脫落現(xiàn)象。本節(jié)針對(duì)這2種空泡脫落的非定常特性進(jìn)行分析，選取透明氣彈和水氣混合這兩種典型多相流流型。

圖9為在重力效應(yīng)作用下空泡發(fā)展的非定常過程，此種工況的多相流流型為透明氣彈狀，附著彈體的透明空泡具有明顯的非對(duì)稱性，在t時(shí)刻附著在彈體上表面的空泡的尾流區(qū)域出現(xiàn)大尺度透明空泡斷裂，空泡斷裂點(diǎn)位于彈體的中后區(qū)域，脫落空泡沿著主流方向運(yùn)動(dòng)并且在重力的作用下出現(xiàn)上漂現(xiàn)象，附著在彈體上表面的透明空泡沿著彈壁向彈體尾部發(fā)展，同時(shí)在浮力的作用下向上運(yùn)動(dòng)，在t+52ms時(shí)刻附著在彈體上表面的空泡在剪切速度的作用下斷裂，空泡斷裂點(diǎn)仍位于彈體的中后區(qū)域，空泡斷裂脫落的周期為52ms，在空泡脫落斷裂的整個(gè)準(zhǔn)周期運(yùn)動(dòng)過程中，附著在彈體下表面的空泡沒有明顯變化。

圖10為在反向射流作用下空泡發(fā)展的非定常過程，此種工況的多相流流型為水氣混合。在t時(shí)刻，附著在彈體側(cè)面的空泡已經(jīng)斷裂沿著主流方向運(yùn)動(dòng)；當(dāng)脫落空泡運(yùn)動(dòng)到彈體尾部附近時(shí)，即在t+9ms時(shí)刻，附著在彈體上表面的空泡在反向射流作用下開始脫落并且沿著主流方向運(yùn)動(dòng)；當(dāng)從彈體上表面脫落的空泡運(yùn)動(dòng)彈體尾部附近時(shí)，即t+18ms時(shí)刻，附著在彈體側(cè)面的空泡生長(zhǎng)發(fā)展到一定程度，并且在反向射流的作用下與主空泡區(qū)域斷裂開。空泡發(fā)展的整個(gè)過程為空泡上下交替脫落的準(zhǔn)周期運(yùn)動(dòng)過程，脫落周期為24ms。

t t+7ms t+14ms

t+21ms t+28ms t+34ms

t+40ms t+46ms t+52ms

t t+3ms t+6ms

t+9ms t+12ms t+15ms

t+18ms t+21ms t+24ms

3 結(jié) 論

本文利用高速全流場(chǎng)顯示技術(shù)，在循環(huán)式空化水洞下對(duì)繞圓頭回轉(zhuǎn)體通氣空化流動(dòng)進(jìn)行觀察，得出以下結(jié)論：

(1) 重力效應(yīng)和通氣率對(duì)通氣空化的多相流流型起主要作用，定義了弗洛德數(shù)和通氣率兩個(gè)無量綱數(shù)，將繞圓頭回轉(zhuǎn)體通氣空化分為5種多相流流型：透明氣泡、透明氣彈、透明分層、水氣混合以及半透明水氣混合；

(2) 流動(dòng)參數(shù)對(duì)流型的影響分為2個(gè)階段：重力起主要作用階段和重力效應(yīng)不明顯階段。在重力起主要作用階段，通氣率一定時(shí)，隨著弗洛德數(shù)的增大，附著彈體的空泡傾斜程度減小，彈體上表面的斷裂脫落空泡轉(zhuǎn)變?yōu)橘N著彈體壁面的穩(wěn)定空泡；弗洛德數(shù)一定時(shí)，隨著通氣率的增大，傾斜空泡上表面空泡斷裂脫落的尺度不斷增大。在重力效應(yīng)不明顯階段，通氣率一定時(shí)，隨著弗洛德數(shù)的增大，雷諾數(shù)也變大，流場(chǎng)的湍流強(qiáng)度增大，空泡尾流區(qū)域的湍流脈動(dòng)增大，出現(xiàn)劇烈的水氣交換；弗洛德數(shù)一定時(shí)，隨著通氣率的增大，由云霧狀空泡逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橥该骺张荩?/p>

(3) 描述了典型流型下通氣空化發(fā)展的非定常過程，即透明氣彈流型在重力作用下透明空泡斷裂脫落，以及水氣混合流型在反向射流作用下云霧狀空泡交替脫落的準(zhǔn)周期發(fā)展過程。

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作者簡(jiǎn)介:

段磊(1982-)，男，河南許昌人，博士研究生。研究方向：通氣空化流動(dòng)機(jī)理研究。通信地址：北京市海淀區(qū)中關(guān)村南大街5號(hào)北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室(100081)。E-mail:duanlei_19830108@163.com