空化初初水利學(xué)研究

空化初初水利學(xué)研究

空化現(xiàn)象是指在液體流動(dòng)過(guò)程中，局部壓力低于飽和蒸汽壓力，導(dǎo)致空泡、上升和破裂的現(xiàn)象。其實(shí)質(zhì)是在液體介質(zhì)中的液體萃取和力學(xué)的聯(lián)合作用下，液體介質(zhì)中的局部氣函數(shù)發(fā)生了變化?？栈跎强栈F(xiàn)象中很重要的一個(gè)發(fā)展階段,液體內(nèi)一經(jīng)出現(xiàn)空化,就會(huì)破壞液體的連續(xù)性,使液體運(yùn)動(dòng)的水動(dòng)力特性發(fā)生變化,在固體壁面上誘發(fā)空蝕、產(chǎn)生空化噪音并可能激發(fā)振動(dòng)等。空化和空蝕現(xiàn)象對(duì)物體的破壞作用是十分強(qiáng)大的,空泡潰滅還同時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)和噪聲,對(duì)水力機(jī)械的工作效率和壽命也有很大的危害作用。反過(guò)來(lái),如果設(shè)法將這種有害作用變成有利作用,比如在工業(yè)清洗、切割和鉆探作業(yè)的水射流中人為地引入空化和空蝕,利用其強(qiáng)大的破壞作用和振動(dòng)噪聲沖擊波來(lái)提高清洗、切割和鉆探的效率,其效果也將是顯著的。近年來(lái)對(duì)空化的研究,國(guó)內(nèi)外均引起重視,專家學(xué)者也都從不同角度、不同領(lǐng)域展開(kāi)了內(nèi)容豐富的探討,取得了大量的成果。新的觀點(diǎn)和論述不斷提出,不同專業(yè)所積累的成果相互借鑒、融合,使得對(duì)這一問(wèn)題的研究得到了空前的發(fā)展。影響空化初生的因素眾多,每種因素的影響及各種因素的相互作用的影響亦非常復(fù)雜,因此研究各種情況下的空化初生歷來(lái)都是空化研究中的一個(gè)重要課題。1空化政策與判別空化對(duì)于空化初生,不同的研究學(xué)者有不同的定義方法,迄今為止,還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的定義方法。嚴(yán)格說(shuō)來(lái),當(dāng)流速不變而壓強(qiáng)降低(或壓強(qiáng)不變流速增加)時(shí),流場(chǎng)內(nèi)極小區(qū)域內(nèi)偶然初次出現(xiàn)微小空穴的臨界狀態(tài)稱為空化初生。當(dāng)流場(chǎng)內(nèi)最低壓力達(dá)到空化核不穩(wěn)定的臨界壓力pi(也稱為不產(chǎn)生空化流動(dòng)時(shí)的最小壓力)時(shí),空化現(xiàn)象就會(huì)首先在該處發(fā)生,這時(shí)的空化數(shù)稱為臨界空化數(shù)或初生空化數(shù),用σi表示為σi=Ρi-Ρv12ρu2∞.(1)σi=Pi?Pv12ρu2∞.(1)對(duì)任何流場(chǎng),當(dāng)σ>σi時(shí),不會(huì)發(fā)生空化;當(dāng)σ≤σi時(shí),則會(huì)發(fā)生空化。由于影響液流中空化初生的因素眾多,加之各因素的高度隨機(jī)性,使得實(shí)測(cè)的初生空化數(shù)離散度較大,因此,通常采用消失空化數(shù)來(lái)描述空化的初生,即在流場(chǎng)中出現(xiàn)初生空化以后,進(jìn)一步改變壓強(qiáng)(降低)或流速(增加)使之出現(xiàn)比較嚴(yán)重的空化狀態(tài),然后采取同樣相反步驟使之空化區(qū)的范圍逐漸縮小,最后只在Pmin附近有間歇性空泡出現(xiàn),與此狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的空化數(shù)稱為消失空化數(shù),一般記為σd。此外,Mccormick等建立了預(yù)測(cè)水冀空化初生的另一公式σi=ΚC2lR0.4e及Re=V∞C0ν.(2)σi=KC2lR0.4e及Re=V∞C0ν.(2)由于公式(2)沒(méi)有考慮到氣核尺寸及數(shù)目,ArndtandKeller又進(jìn)行了修正。此外,黃景泉等討論了自由氣核的發(fā)育、平衡和穩(wěn)定,推導(dǎo)出渦心半徑、考慮粘性及旋轉(zhuǎn)過(guò)程中渦強(qiáng)變化的效應(yīng),列出一個(gè)臨界半徑值作為梢渦空泡起始的判據(jù)。對(duì)于試驗(yàn)中判斷空化初生方法,不同的研究人員所采用的判別方法會(huì)有所不同,甚至即使采用相同的判別方法,其標(biāo)準(zhǔn)也不盡一致。目前,“光學(xué)法”和“聲學(xué)法——空化噪聲法”相結(jié)合是目前較為理想的空化初生試驗(yàn)判別方式,空化噪聲法精度高,噪聲信號(hào)可以直接轉(zhuǎn)變成電信號(hào),并且信號(hào)的保真性好,而且可以進(jìn)行信號(hào)的放大和處理,通過(guò)專用的處理系統(tǒng),可以很好地得到聲壓和聲能的曲線,從而可以直觀地分析和判斷?？栈肼暦òㄒ韵氯N:聲壓級(jí)法、能量過(guò)程線法和能量相對(duì)真空法三種。陳霞、李忠義等通過(guò)長(zhǎng)期試驗(yàn)認(rèn)為,當(dāng)采用空化噪聲能量過(guò)程線法時(shí),可以每分鐘出現(xiàn)3～5個(gè)尖峰作為空化初生的判別標(biāo)準(zhǔn);當(dāng)采用能量相對(duì)真空法時(shí),若水聽(tīng)器緊靠空化源布置,則當(dāng)相對(duì)能量E/E0=2時(shí)可以認(rèn)為空化初生。此外還有伽馬射線、全息攝影、紋影等判斷方法。2報(bào)原型的空化工況研究空化初生目前大多采用物理模型進(jìn)行試驗(yàn)來(lái)確定,借助于試驗(yàn)成果,優(yōu)化設(shè)計(jì)體形或預(yù)報(bào)原型中可能出現(xiàn)空化的工況。由于受氣核含量、表面張力等影響,使得通過(guò)物理模型試驗(yàn)所得出的結(jié)果與真實(shí)情況存在著很大的差異,即存在嚴(yán)重的“比尺效應(yīng)”,“比尺效應(yīng)”包含了眾多的影響因素。因此對(duì)空化初生的影響因素進(jìn)行總結(jié)和分析亦是空化研究的一個(gè)重要課題。2.1氣核物理參數(shù)的確定氣核的存在是空化初生的一個(gè)必要條件,水中溶解氣體的析出是氣核的主要來(lái)源,根據(jù)空泡動(dòng)力學(xué)理論,在描述空泡起始、發(fā)育、運(yùn)動(dòng)及潰滅的眾多方程中,均不可避免地含有相關(guān)氣核氣體的物理參數(shù),如密度、擴(kuò)散、粘性系數(shù)等,不同的氣核成分,氣核中混合氣體所對(duì)應(yīng)的上述物理參數(shù)也不同,從而導(dǎo)致不同的空化過(guò)程。一般默認(rèn)的規(guī)律是:在同一設(shè)備中做同一模型的重復(fù)性試驗(yàn)時(shí)要求氣核的含量不變;在不同設(shè)備中進(jìn)行比較試驗(yàn)時(shí)也要求氣核含量不變。2.2動(dòng)水壓力的穩(wěn)定性粘性對(duì)空化初生的影響首先是由Parkin和Kermeen發(fā)現(xiàn)的,由于粘性在水動(dòng)力學(xué)方面的影響,造成動(dòng)水壓力分布的位置變化,從而粘性就成為非常重要的因素。2.3加壓分布空化現(xiàn)象是由于壓強(qiáng)低而產(chǎn)生的,所以壓強(qiáng)分布直接影響空化的初生。2.4氣核失穩(wěn)產(chǎn)生共振來(lái)流紊流度的大小直接影響繞流物體周圍流場(chǎng)的流動(dòng)特性,可以使繞流物體周圍流場(chǎng)中各點(diǎn)的壓強(qiáng)脈動(dòng)增大,在周期性的脈壓作用下,氣泡出現(xiàn)振蕩,氣泡經(jīng)過(guò)多次循環(huán),使得氣泡的自振頻率與脈動(dòng)壓力的頻率接近而發(fā)生共振,進(jìn)而導(dǎo)致氣核失穩(wěn)。2.5液體中空泡直徑的測(cè)定已有的實(shí)驗(yàn)證實(shí),液體的表面張力對(duì)空泡的脹縮影響過(guò)程是明顯的,即表面張力愈大的液體中空泡能達(dá)到的直徑愈小;表面張力加速了空泡的收縮過(guò)程而對(duì)其膨脹過(guò)程則起到了延緩作用;表面張力使空泡的震蕩周期縮短、震蕩幅值減小。2.6含沙量的影響已有實(shí)驗(yàn)證實(shí),在水中加入適量高分子聚合物可以使空化受到抑制,對(duì)含沙來(lái)說(shuō),當(dāng)含沙量低于某值時(shí),對(duì)空化的發(fā)生、發(fā)展稍有促進(jìn)作用,高于某值時(shí),則對(duì)空化有抑制作用,這說(shuō)明空化初生還受到流體介質(zhì)的影響。2.7粗糙度面空化反應(yīng)由于粗糙凸起后面的流動(dòng)發(fā)生分離,產(chǎn)生局部高流速和高紊動(dòng),從而使負(fù)壓脈動(dòng)增加,使得粗糙面要比光滑壁面上空化初生偏早。此外,壁面的粗糙度還將改變氣核的發(fā)育過(guò)程和環(huán)境,壁面的侵潤(rùn)性對(duì)空化初生也有影響。2.8拉應(yīng)力作用的影響流速的變化,主要是影響剪切層的壓強(qiáng)使得邊界層的特性發(fā)生相應(yīng)的改變,從而影響壓力系數(shù)的分布,間接影響空化初生,此外,由于流速的提高,氣核通過(guò)拉應(yīng)力區(qū)的時(shí)間縮短,承受的拉應(yīng)力強(qiáng)度增大,綜合作用的結(jié)果使氣核生長(zhǎng)快一些,亦即減小了時(shí)滯效應(yīng)。3理論分析的不足研究空化初生現(xiàn)象以及空化的各個(gè)發(fā)展階段,目前主要是通過(guò)原體觀測(cè)及室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬兩種手段,而理論分析目前尚處于不夠成熟的階段。下面分別從這3個(gè)方面進(jìn)行總結(jié)分析。3.1空化數(shù)的修正一般而言,空化初生的位置就在最小壓強(qiáng)點(diǎn)附近,初生空化數(shù)主要決定于最小壓力系數(shù)Cpmin,古典方法求最小壓力系數(shù)時(shí),由于沒(méi)有實(shí)驗(yàn)技術(shù)測(cè)量渦核內(nèi)的壓力值,而只能利用圓周速度估計(jì)壓力值,其計(jì)算公式為Cp=-2∫∞0V2tV2∞drr≈(VtmaxV∞)2.Cp=?2∫∞0V2tV2∞drr≈(VtmaxV∞)2.后來(lái)由Mccormick提出和Fruman,Arndt,MainesandArndt等實(shí)驗(yàn)修正,得出壓力系數(shù)計(jì)算式為Cp≈-C2l(V∞C0v)0.4=-ΚC2lR0.4e.激光測(cè)速儀的發(fā)展,可以用來(lái)確定梢渦流的速度分布,Chao-TsungHsiao等提出了基于蘭金渦模型的最小壓力系數(shù)公式:Cpmin=-12π2V2(г/ac)2.在國(guó)內(nèi),倪漢根從Rayleigh-Plesset空泡動(dòng)力方程出發(fā),估計(jì)了方程中各項(xiàng)在空化初生時(shí)的近似值,給出了原型初生空化數(shù)與模型初生空化數(shù)的簡(jiǎn)單關(guān)系式。文獻(xiàn)通過(guò)建立凹槽中旋渦的渦量平衡、能量平衡近似關(guān)系式,給出了估算旋渦初生空化數(shù)的表達(dá)式,并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較,結(jié)果大致相同。A.Keller和楊志明提出用液體的抗拉強(qiáng)度來(lái)修正初生空化數(shù),即σi=(p∞-pv+Μpr)/(12ρV2∞).式中,pr為水流的抗拉強(qiáng)度;M為系數(shù),根據(jù)試件的流線特性而定,由修正的初生空化數(shù)可以大大改善其離散程度。倪漢根用解析的方法得到了考慮壓力脈動(dòng)和水中含氣量影響的孔板初生空化數(shù)的半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。何國(guó)庚從非平衡態(tài)熱力學(xué)理論出發(fā),建立了有相變發(fā)生時(shí)球形氣核與圍流液體之間能量流和物質(zhì)流的方程式,在此基礎(chǔ)上,確定了自由氣核空化初生的條件,并結(jié)合氣泡動(dòng)力學(xué)理論,提出了判斷滿足空化初生條件的標(biāo)準(zhǔn)。此外,賀照明等用特征線法計(jì)算了減速運(yùn)動(dòng)活塞表面的壓力變化情況,提出使用測(cè)量液體中運(yùn)動(dòng)物體的加速度來(lái)預(yù)測(cè)空化初生,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。何子干等通過(guò)紊流場(chǎng)的計(jì)算,將過(guò)流系統(tǒng)的空化處理成平穩(wěn)的隨機(jī)過(guò)程,以氣核失穩(wěn)為初生空化條件,氣核群初生空化的統(tǒng)計(jì)平均作為過(guò)流系統(tǒng)的初生空化,給出了初生空化數(shù)的均值何方差。張鳳華等通過(guò)對(duì)Rayleigh-Plesse方程的適當(dāng)無(wú)因次化,建立了一種既考慮空泡的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)又適合各種絕熱指數(shù)的簡(jiǎn)便的空化初生動(dòng)力判據(jù)。3.2空化體非線性模擬在數(shù)值模擬方面,一般從空泡動(dòng)力學(xué)出發(fā),綜合考慮多種影響因素進(jìn)行模擬計(jì)算。初生空化數(shù)的數(shù)值模擬通常有兩種途徑:一是采用雷諾方程直接計(jì)算紊流場(chǎng)或通過(guò)對(duì)物理模型采用精密儀器對(duì)流場(chǎng)特性進(jìn)行測(cè)量,然后通過(guò)Rayleigh-Plesset方程計(jì)算出單空泡的運(yùn)動(dòng)及生長(zhǎng)過(guò)程,得到單空泡的初生空化數(shù),再通過(guò)概率方法或修正模型法估算出系統(tǒng)的初生空化數(shù)。二是通過(guò)在連續(xù)性方程中加入所謂“人工壓縮項(xiàng)”,即1β?p?τ,來(lái)反映壓縮項(xiàng)的影響?？栈跎粌H與氣核分布、瞬時(shí)壓力場(chǎng)、氣核軌跡相關(guān),還與空泡動(dòng)力學(xué)有著緊密聯(lián)系,在初生階段,一般都忽略空泡質(zhì)量、動(dòng)量和能量,文獻(xiàn)采用歐拉和拉各朗日分析方法預(yù)測(cè)空化初生,空化核的分布采用紊動(dòng)能為變量的高斯分布,軌跡運(yùn)動(dòng)方程按照牛頓第二定律建立,增長(zhǎng)模型采用Rayleigh-Plesset方程,通過(guò)在平均速度上增加一個(gè)隨機(jī)速度分量模擬紊流情況,按照與紊動(dòng)能平方成比例縮減局部靜壓,模擬結(jié)果表明空化初生空化數(shù)明顯高于光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)初生。StefanoCerutti等采用拉各朗日方法并應(yīng)用球形空泡動(dòng)力學(xué)模型,對(duì)高雷諾數(shù)的軸對(duì)稱射流近流場(chǎng)的空化初生進(jìn)行了數(shù)值研究,結(jié)果表明,隨著射流長(zhǎng)細(xì)比的減小,空化初生指數(shù)增加,大空泡比小空泡更易進(jìn)入旋渦核心,其對(duì)應(yīng)的初生指數(shù)也高,同時(shí)大空泡對(duì)射入位置也更敏感。為了準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)空化初生,必須考慮非球形空泡變形以及與渦旋的相互作用,當(dāng)前的研究大多假定空泡并不與流場(chǎng)相互作用,仍保持為球形。通過(guò)忽略空泡對(duì)渦流場(chǎng)的影響,Chahine首先根據(jù)邊界元方法建立非球形空泡動(dòng)力模型,后來(lái)采用渦元法模擬了空泡與渦流場(chǎng)相互作用,但是渦流場(chǎng)必須預(yù)先給定,并不是答案的一部分。為了增加對(duì)空泡在真實(shí)流體的動(dòng)力學(xué)了解,Chao-tsung采用三維不可壓N-S流體方程模擬了空泡與渦流場(chǎng)的相互作用。為了滿足空泡表面的移動(dòng),作者采用自動(dòng)生成的移動(dòng)嵌合網(wǎng)格來(lái)滿足新的邊界條件。非穩(wěn)定不可壓連續(xù)N-S方程為?ui?xi=0,?ui?t+uj?ui?xj=-??p?xi+1Re?2ui?xj?xj.其物理邊界條件采用動(dòng)能邊界和Hodges等推出的動(dòng)力邊界條件,最后結(jié)果表明技術(shù)精度取決于初始條件和壓縮系數(shù)。在國(guó)內(nèi),曲景學(xué)采用微可壓縮流理論和大渦模擬方法相結(jié)合的空化流數(shù)學(xué)模型,進(jìn)行了孔板泄洪洞空化初生的數(shù)值模擬,其預(yù)測(cè)的空化發(fā)生情況與減壓模型試驗(yàn)結(jié)果一致。王國(guó)玉等采用數(shù)值模擬的方法計(jì)算了中空射流閥內(nèi)部非定常粘性流場(chǎng)。發(fā)現(xiàn)流場(chǎng)中空化的產(chǎn)生與流動(dòng)分離以及所伴隨的剪切層區(qū)域的非定常旋渦運(yùn)動(dòng)有關(guān),旋渦空化水流中存在兩種空穴,即空化泡與空化旋渦,在剪切層非定常旋渦從流動(dòng)分離點(diǎn)產(chǎn)生的過(guò)程中,旋渦形成區(qū)域的壓力進(jìn)一步降低,在空化條件下產(chǎn)生大量的空泡,部分空泡被旋渦所包容,從而形成空化旋渦。3.3空化體機(jī)構(gòu)仿真結(jié)果初生空化數(shù)有兩種測(cè)定方法:一種是采用系列模型試驗(yàn),即用大小不同的一系列幾何相似模型在和原型大致相同的水力條件下,測(cè)定這系列模型的初生空化數(shù),然后以幾何尺度為參數(shù),把初生空化數(shù)延伸至原型;另一種是減壓模型試驗(yàn),即按幾何相似、重力相似且空化數(shù)相等的原則,在減壓條件下測(cè)定模型的初生空化數(shù)。通常預(yù)測(cè)空化初生的方法就是建立和評(píng)估小尺度的模型,由于存在嚴(yán)重的比尺效應(yīng),模型與原型之間往往很難緊密相符,大部分都以雷諾數(shù)作為比尺。文獻(xiàn)采用聲學(xué)判斷標(biāo)準(zhǔn),建立了空化初生和聲壓級(jí)(SPL)的聯(lián)系,實(shí)驗(yàn)推出了初生空化數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系為σi=a-be-cRe.Arndt和Maines觀察得知,空化初生首先開(kāi)始出現(xiàn)準(zhǔn)球形核,然后在渦旋內(nèi)顯著長(zhǎng)大,隨著空泡靠近渦旋中心時(shí),產(chǎn)生嚴(yán)重的變形,然后破裂成許多小空泡。ShridharGopalan等利用PIV測(cè)試了射流近流場(chǎng)的空化初生情況,結(jié)果表明空化初生首先出現(xiàn)在渦環(huán)內(nèi),渦環(huán)主要出現(xiàn)在無(wú)因次噴距為0.7左右處,并利用空化核分布、強(qiáng)度和應(yīng)變對(duì)空化發(fā)生概率進(jìn)行了估計(jì),其估計(jì)值與實(shí)驗(yàn)值符合良好。K.Nakano在噴嘴側(cè)面及對(duì)面安裝了兩個(gè)相機(jī),利用攝影技術(shù)觀察了空泡在起始淹沒(méi)射流噴嘴附近的演變情況,在早期階段,空泡大部分產(chǎn)生在起始旋渦內(nèi),并彼此連成渦環(huán),并與起始旋渦一起流動(dòng)至約20倍噴嘴直徑?？张莪h(huán)內(nèi)的空泡在噴嘴附近很快增大,隨之漸漸減小。在隨后的射流發(fā)展段,單個(gè)空