（流体机械及工程专业论文）文丘里管内空泡及空泡群的演变及其溃灭特性.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 水力空化具有发生装置简单、能量利用率高、无二次污染、易于实现规模化等优点， 在生产生活的许多领域具有广阔的应用前景。利用水力空化产生的高温、高压、自由基 等特殊条件，对物理、化学过程进行强化已经开始被人们研究应用，但主要从实验方面 进行展开，目前还缺乏理论研究作指导。为了使水力空化对过程的强化达到最佳效果， 需要进行更深入的研究。 为了探索空化强化机理，寻求影响空化强化效果的基本规律，认识各因素对空化演 变过程及空化强化效果的影响，建立空化强化效果与影响因素之间的关系，指导水力空 化器的优化设计，本文开展了以下工作： 含汽气型单空泡动力学特性研究。以考虑液体粘性、可压缩性的g i l m o r e 空泡动力 学方程为基础，结合计算泡内气体压力的不同热力学模型，建立三种数学模型，计算空 泡演变、溃灭压力及溃灭温度，并与实验数据比较，确定出范德华方程结合多变假设的 热力学模型吻合性好，计算精度较高。应用该模型计算了不同参数下的空泡演变过程、 溃灭压力及溃灭温度。得到发生空化时空泡的初始半径分布范围：讨论了各参数对空泡 演变过程、溃灭压力及溃灭温度的影响：建立了各参数与溃灭压力及溃灭温度的分项关 系式和总体关系式。 含汽气型空泡群动力学特性研究。采用空泡群分层溃灭模型，依据如何考虑空泡 间相互作用问题，分别建立了三种计算空泡群溃灭压力的数学模型。通过计算结果比较 可知，空泡群内空泡间的相互作用加速了空泡群的溃灭速度，使空泡群的溃灭压力增大； 群内已溃灭各层空泡的影响比层内正在溃灭空泡的影响更显著。应用考虑已溃灭各层空 泡的影响和同层内正在溃灭空泡的影响的分层溃灭模型，计算了不同参数下的空泡群溃 灭压力；讨论了空泡群溃灭压力与各影响参数的关系；建立了空泡群溃灭压力与各参数 分项拟合关系式和总体拟合关系式。 空化区域外形轮廓线的数值模拟。基于生长阶段群内空泡之间无相互作用的假设， 建立了空泡群生长模型，由此计算空泡群生长轮廓线；考虑空泡溃灭后回弹的影响，对 空泡群溃灭模型进行修正用于计算空泡群溃灭轮廓线，最终得到空化区的外形轮廓线。 模拟结果与实验结果比较吻合，说明模型是合理的。在此基础上计算了空化区的体积， 分析了空化区体积与影响参数的关系。 关键词：水力空化；空泡动力学；文丘里管；溃灭压力；空泡演变 文丘里管内空泡及空泡群的演变及其溃灭特性 t h ee v o l u t i o na n dc o l l a p s ec h a r a c t e r i s t i c so fb u b b l ea n db u b b l e c l u s t e ri nv e n t u r i a b s t r a c t b e c a u s eo ft h es i m p l er e a c t i o ne q u i p m e n t ，t h eh i g he 伍c i e n c yo ft h eu s i n go ft h ee n e r g y ， n os e c o n d a r yp o l l u t i o na n da c h i e v i n gs c a l ee a s i l y ，t h eh y d r o d y n a m i cc a v i t a t i o nh a sb r o a d f o r e g r o u n do fa p p l i c a t i o n i nt h ec o u r s eo ft h ec a v i t a t i o n ，s o m ee x t r e m ec o n d i t i o n ss u c ha s h i g ht e m p e r a t u r e ，h i g hp r e s s u r ea n df r e er a d i c a l sg e n e r a t e db yt h ev i o l e n tc o l l a p s eo fc a v i t i e s c a na c h i e v ea n di n t e n s i f yt h es p e c i a lp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o c e s s e s h o w e v e r ，t h er e s e a r c h o fh y d r o d y n a m i cc a v i t a t i o ni ss t u d i e dm a i n l yb ye x p e r i m e n ta n dl a c ko ft h e o r y i no r d e rt o a c h i e v et h eo p t i m a le n h a n c e m e n te f f e c to ft h eh y d r o d y n a m i cc a v i t a t i o n ，t h ef u r t h e rr e s e a r c h s h o u l d b ee x p a n d e d i no r d e rt oe x p l o r et h em e c h a n i s mo fc a v i t a t i o n a le n h a n c e m e n t ，f i n do u tt h eb a s i c d i s c i p l i n a r i a no fi n f l u e n c i n gt h ee f f e c to fc a v i t a t i o n a le n h a n c e m e n t ，r e a l i z et h ei n f e c t i o no f t h ee v o l u t i o na n dt h ee n h a n c e m e n te f f e c to fc a v i t a t i o nb ye v e r yf a c t o r , b u i l dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e ne n h a n c e m e n te f f e c ta n di n f l u e n c i n gf a c t o r sa n dd i r e c tt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no f h y d r o d y n a m i cc a v i t a t i o n a lr e a c t o r ，t h ea r t i c l eh a se x p a n d e dt h ef o l l o w i n gm i s s i o n s t h en u m e r i c a ls t u d yo fs i n g l eg a s v a p o rb u b b l e ：b a s e do ng i l m o r ee q u a t i o n t h a t c o n s i d e r st h ev i s c o s i t ya n dt h ec o n d e n s a b i l i t yo fl i q u i d ，c o m b i n i n gt h ec a l c u l a t i o no fg a s p r e s s u r eu n d e rd i f f e r e n te n e r g e t i c sm o d e l ，t h ea r t i c l eh a sb u i l tt h r e em a t h e m a t i c sm o d e l s ， c a l c u l a t e dt h ee v o l u t i o no f b u b b l e ，c o l l a p s ep r e s s u r ea n dc o l l a p s ep r e s s u r ea n d t h e nc o m p a r e d w i t he x p e r i m e n t a ld a 饥f i n a l l ye s t a b l i s h e dt h ee n e r g e t i c sm o d e lo fv a nd e rw a a l se q u a t i o n c o m b i n e dw i t hp o l y t r o p i ca s s u m p t i o nh a st h eh i g h e s tp r e c i s i o n t h em o d e lh a sb e e na p p l i e d t oc a l c u l a t et h ee v o l u t i o no fb u b b l e c o l l a p s ep r e s s u r ea n dc o l l a p s et e m p e r a t u r e a tl a s t ，t h e d i s t r i b u t i n gr a n g eo ft h ei n i t i a lr a d i u so fb u b b l eh a sb e e na t t a i n e dw h e nc a v i t a t i o nh a p p e n s ， t h ei n f l u e n c eo ft h ee v o l u t i o no fb u b b l e ，c o l l a p s ep r e s s u r ea n dc o l l a p s et e m p e r a t u r eb ye v e r y f a c t o rh a sb e e nd i s c u s s e d ，t h es u b e n t r ya n di n t e g e rc o r r e l a t i o no ft h ep a r a m e t e r sa n dc o l l a p s e p r e s s u r ea n dc o l l a p s et e m p e r a t u r eh a sb e e nb u i l t t h es t u d yo fc o l l a p s ec h a r a c t e r i s t i co fg a s v a p o rb u b b l ec l u s t e r ：o nt h eb a s i so fe n e r g y t r a n s f e rt h e o r y ，t h em o d e lo fc o l l a p s el a y e rb yl a y e ra n dr e c i p r o c i t yo fb u b b l ei nt h ec l u s t e r ， t h ea r t i c l eh a sb u i l tt h r e em o d e l sf o rc a l c u l a t i n gt h ec o l l a p s ep r e s s u r eo fb u b b l ec l u s t e r f r o m t h ec o m p a r a t i v e l yr e s u l t s ，w ek n o wt h a tt h er e c i p r o c i t yo fb u b b l ei nt h ec l u s t e ra c c e l e r a t e st h e c o l l a p s eo fb u b b l ec l u s t e ra n da u g m e n t st h ec o l l a p s ep r e s s u r eo fb u b b l ec l u s t e r ，t h ei n f e c t i o n i i 大连理工大学硕士学位论文 o ft h ec o l l a p s eb u b b l eb e t w e e ne a c hl a y e ri sm o r er e m a r k a b l et h a nt h a ti nt h el a y e r a p p l y i n g t h em o d e lo fc o l l a p s el a y e rb yl a y e r 也a tc o n s i d e r st h ei n f e c t i o no fb u b b l ec o l l a p s e db e t w e e n e a c hl a y e ra n db u b b l ec o l l a p s i n gi nt h es a m el a y e r ，t h ea r t i c l eh a sc a l c u l a t e dt h ec o l l a p s e p r e s s u r eo fb u b b l ec l u s t e rw i t hd i f f e r e n tp a r a m e t e r s d i s c u s s e dt h er e l a t i o n s h i po ft h ec o l l a p s e p r e s s u r ea n di n f e c t i o np a r a m e t e r s ，e s t a b l i s h e dt h es u b e n t r ya n di n t e g e rc o r r e l a t i o no ft h e c o l l a p s ep r e s s u r eo ft h eb u b b l ec l u s t e ra n dt h ep a r a m e t e r s 砀en u m e r i c a le a l c u l a t i o no ft h ec a v i t a t i o nr e g i o n ：o nt h eb a s i so ft h ea s s u m p t i o no fn o r e c i p r o c i t yb e t w e e n t h eb u b b l e so ft h ec l u s t e ri nt h eg r o w t h p e r i o d ，t h eg r o w t hm o d e lo f b u b b l e c l u s t e rh a sb e e nb u i l t a n dt h e nt h eg r o w t hc o n t o u rl i n eo fb u b b l ec l u s t e rh a sb e e nc a l c u l a t e d a f t e r w a r d s ，t h em o d e lh a sb e e nm o d i f i e dt oc a l c u l a t et h ec o l l a p s ec o n t o u rl i n e 。t h e nt h eo u t l i n e o f t h ec a v i t a t i o nr e g i o nh a sb e e no b t a i n e dc o m b i n e dt h eg r o w t hc o n t o u rl i n ea n dc o m p a r e dw i t h e x p e r i m e n t a ld a t at ov a l i d a t et h em o d e l i sc o r r e c t o nt h eb a s i sf r o n t t h ea r t i c l eh a sc a l c u l a t e d t h ev o l u m eo f t h ec a v i t a t i o nr e g i o na n da n a l y z e dt h er e l a t i o n s h i po f t h ev o l u m eo f t h ec a v i t a t i o n r e g i o na n di n f e c t i o np a r a m e t e r s k e yw o r d s h y d r o d y n a m i cc a v i t a t i o n ；b u b b l ed y n a m i c s ；v e n t u r i ；c o l l a p s e p r e s s u r e ；e v o l u t i o no fb u b b l e 1 1 1 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目 丝嶙咝i 亟垃磁鱼遨盟莓趔芝： 作者签名： 生坠过日期：竺! z年厶月卫日 哥师签名 ： 砻趑 日期：墨笾年上月生日 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：叁垒咝立窒照整苤窒! 豳垒逸塑必堂皇! l ! 查 作者签名：羔里盘日期：三竺! z年j l 月二互日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 早在十九世纪后半叶，人们就在鱼雷舰和蒸汽机船的螺旋桨叶片上发现了空化 ( c a v i t a t i o n ) 现象。空化现象曾被称为最令人讨厌的水动力现象，因为空化发生时所产 生的极端条件会使水力工程、水力机械等产生破坏作用，甚至造成重大的灾难性工程事 故。然而，空化现象也有其有益的方面，并且已经广泛应用于生产实践中，如工业清洗、 材料切割、油井解堵和强化化学反应等。总之，无论从降低空化危害方面，还是从有效 利用空化技术方面，都迫切要求对空化进行全面深入的研究。 1 1空化现象 空化现象是由于液流系统中的局部压力降低( 低于相应温度下该液体的饱和蒸气 压) 使液体蒸发而引起的微气泡爆发性生长的现象。这种现象类似于沸腾。为与沸腾 相区别，常把由于压强降低使水( 或其它液体) 汽化的过程称为“空化”【z j 。根据空穴 区的结构及水动力特性，空化可分为游移型、固定型、漩涡型和振荡型四类。根据空化 的产生方式不同，一般将空化分为声空化、光空化、粒子空化和水力空化，本文的研究 属于游移型水力空化。 空化发生时，在水中形成的空洞称为空穴，球形空穴称为空泡。空泡中一般含有饱 和液体的蒸汽和由周围液体中析出的原来溶解于液体的某些气体。以含液体蒸汽为主的 空泡可称为蒸汽空泡或汽化空泡，含气体为主的空泡则称为气体空泡或气化空泡。实际 观察表明，有时空泡内大部分是气体，而有时则大部分是蒸汽。由此可见，虽然气体和 蒸汽的比例不同，但泡内含有两者的混合物。本文研究的空泡是汽气混合物空泡。 液体发生空化过程中，液体流经低压区时，由于液体的蒸发和原来溶解于液体的某 些气体的析出而产生大量空泡，这种含有空泡的液流称为空泡流。由此可见，空泡流实 际是两相流，由于空泡的存在破坏了液体宏观上的连续性；当水流挟带着的空泡流经区 域的压力进一步降低时，空泡发生生长现象；当空泡流流经高压区时，空泡将发生溃灭。 因此，空化现象包括空泡的发生、成长和溃灭，它是一个非恒定过程。空化现象发生时， 空泡溃灭会产生高温、高压、自由基、冲击波和高速射流等一系列空化效应。当空泡在 固体表面附近溃灭时，流体中不断溃灭的空泡所产生的高压强的反复作用，破坏固体表 面，产生麻点、凹坑等现象，这种现象称为空蚀【2 1 。空蚀对船舶和水力机械的工作寿命 和效率具有极大的危害；空蚀也严重危害水力设施的安全使用，国内外很多高坝的泄水 建筑物上都发生过不同程度的空蚀破坏，如前苏联的布拉茨克水电站的溢流坝面上形成 了冲蚀坑，我国的刘家峡水电站右岸泄洪隧洞发生了严重的空蚀破坏。随着经济的发展， 文丘里管内空泡及空泡群的演变及溃灭特性 空蚀问题将更加复杂，因此应该对空化与空蚀的理论进行深入研究，找到防范空蚀破坏 的有效措施。 在研究空化产生空蚀破坏作用的过程中，学者开始重新审视空化产生的高温、高压、 自由基、冲击波及高速射流等空化效应，认为空化效应是一神具有广阔应用前景的薪能 源，如果合理利用，可以收到良好的经济效益。关于利用空化效应的早期研究多数是以 超声空化为基础，然而超声空化的某些缺点。如发生装置复杂、不适合大规模操作等限 制了其应用，已经逐渐被水力空化取代。目前，人们已经在化工、石油、生物化工、医 药、食品、环保等领域研究水力空化的应用。空化产生的高温、高压、冲击波及高速射 流等可以打开水的分子键，形成活性很高的自由基而实现或强化化学反应。空化产生的 极端条件也可以使水中的有机物分解，实现污水处理。利用水力空化效应在某些方面已 经收到很好的效果，如s i v a k u m a r 和p a n d i t 利用水力空化装置对水中化合物进行降解， 并且能量利用率很高【3 1 。由此可见，如何预防和降低空蚀破坏和有效利用空化技术是学 者们的两大研究方向，并且研究方法和手段也越来越先进，关于空化的研究正向更深入、 更微观的领域发展。 1 2 空化机理 在温度不变的情况下，若液体某处的压强低于某一桩界压强，液体内部原来含有的 很小的气泡将迅速膨胀，在该处产生含有蒸汽和其它气体的明显空泡【2 】，即发生空化。 空化发生的过程可以分为以下四个阶段：( 1 ) 初始空化：只有极微小的空泡出现，边 界层也没有明显的分离现象；( 2 ) 片状空化：这时空化数降低开始出现连续气相，从 外形上看，片状空化像手指：( 3 ) 云状空化：空化数进一步降低，出现大量空化泡， 有大团白雾状：( 4 ) 超空化：它是空泡发展的最后阶段，压力降至极低，最后随着压 力的恢复空泡溃灭。 空泡初生后，随着时间的增长，空泡将发育膨胀，而当空泡周围的液体压强增高时， 则可见空泡又会收缩甚至溃灭。由于空泡中一般均含有微量不凝结的永久气体，因此空 泡不会立即完全溃灭消失，而是溃灭与回弹再生交替发生，空泡的尺寸每再生一次则减 小一次直至不为肉眼所见而溃灭消失。图1 1 为应用可数字移相的脉冲激光照明技术和 长距离显微技术拍摄的不同相位的空泡图，真实描述了空化发生时空泡的演变过程。由 图可以看出气泡的时间演化规律：先缓慢膨胀，到达最大值后，迅速塌缩至i 最小，然后 回弹。 人迹理人学硕十学情论文 霪甏 _ l i2 1 9 k 、1 。， 一、 图11 不同相位的空泡幽 f i g 】i p h o t o s o f b u b b l ea td i f f e r e n t p h a s e s 121 液体中的气核 通常情况下的液体都不是纯液体，里面含有许多杂质，如固体微粒、微生物和微空 泡( 统称为气核) 。液体中之所以发生空化，一方面是因为里面含微空泡，另一方面是 由于有低压力场的作用。假如一个球状泡悬浮于液体中，则泡内外压力的平衡关系为： ：+ 堡( 11p p)0 2 + r t j 式中，p 为气核内压力，肌为液体压力，口为气核与液体边界上的表面张力系数，胄为 气核半径。当气核尺寸较大时，在水的浮力作用下气核将浮出水面而消失；当气核尺寸 很小时，其内部的压强是很大的，气核内部的气体会受压而被周围的水体所吸收，所以 小的气核将也不稳定。由此可见，气核不可能长期存留在水中。这样，就得到一个很奇 怪的结论：一方面要发生空化现象，液体中就必须存在气核；另一方面，气核又不可能 在液体中长期存留。但实际上，却观察到液体中气核的持久悬浮。在长时间的研究过程 中，许多研究者普提出过各种不同的假定和看法。公认比较满意的是由e n h c v r y e 于 文丘里管内空泡及空泡群的演变及溃灭特性 1 9 4 7 年提出的模式【4 】：气体核子是水中固体颗粒或绕流物体表面缝隙中未被溶解的一些 气体，而这些固体表面是疏水的，使得在缝隙中的气体形成一个凹面的自由表面，如图 1 2 所示。当液面平衡时应有： p g + p 。- p o 一等 2 ， 其中，玩为空泡内气体的压力，肌为空泡的蒸汽压力，p o 为液体压力，盯为表面张力系 数，r 为气核半径。假定，盯都与曲率半径无关。则当瑰大于饱和值时，气体将向水体 扩散，如图( b ) 所示，水面向气体内部推进，此时接触角0 a o 。半径r 小于平衡值， 同时气体中的瑰将减小，当气体扩散到平衡时，接触角仍趋于0 。，此时界面稳定在一个 新的位置上，且r f o 。，半径也将大于平衡值。由于空泡内气体逐渐增加，将使瑰增大 而趋于一个平衡值，当扩散达到平衡时，接触角仍趋于0 。，但此时r f r i 。这样，可以 看出，无论哪一种情况，微小的空泡( 气核) 将永远处于缝隙之中。 承认了“核子模式 的设想，才能认为水体只能具有很小的抗拉强度。当水体中压 力降到某负临界值后，该处核子才能不断长大而形成空化。 ( o ) 平衡器西 ( b )( c ) _ _ - _ - _ _ - 一_ 一- 瞬态莽聪量终平衡再落 r , = - v 始平衡界面lr l 簟最终平衡界蘧 图1 2 气核在憎水性裂缝内的稳定作用 f i g 1 2 s t a b i l i z a t i o no fan u c l e o ni nah y d r o p h o b i cc r a n n y 大连理工大学硕士学位论文 1 2 2 空化初生及空化数 目前，水力设计大多数是以初生空化作为控制标准，即水力系统运转时的空化数必 须高于相应的初生空化数。然而，利用水力空化的工程应用中，则需要系统运转时空化 数低于相应的初生空化数。总之，不论是避免空化还是利用空化，都需要知道空化在什 么状态下发生。影响水中空化产生与发展的主要变量很多，如流动边界形状、绝对压强、 流速、水流粘性、表面张力、水中气核、来流条件等，但主要影响空化发生的是压强和 流速，所以用这两个量来定义空化参数c ( 空化数) 【5 】。空化数表达式为： c = 譬 ( 1 3 ) 互硝 其中，p 为流动系统中某一选定点的绝对压力；p 。为某一温度下的饱和蒸汽压力；p 为 液体密度，v o 为参考速度。 空化数是无量纲数，通常用它来表示空化状态的特性，随着空化数减小，空化越发 剧烈。在亚空化的流场中，如果其流速不变，逐渐降低其压力，或使压强不变，逐渐增 加流速，直到流场内开始发生可见的微空泡，则此时为“初生空化”状态，此时的水流 空化数称为“初生空化数”，用c i 表示。空化数有以下几个方面的意义【6 j ： 判断空化初生和衡量空化强度。当c c i 时，水流中不会出现微空泡，当c c i 时，水流中的空穴范围扩大。 。 描述设备对空化破坏的抵抗能力。各种水力机构都有相应的初生空化数c i ，c i 值越低，说明空化所需的压力越大，该设备抵抗空化破坏能力越强。 衡量不同流场空化现象的相似性。在r e 数、f r 数、w e 数等相似准数相等的情 况下，当两种流动状态的空化数相等时，可以认为其空化现象也相似。 1 2 3 气核的生长 在恒定的低压场作用下，气核初生和发育的关系式可表述为【7 】： v = 警焉删( 铲 + 掣嘲一t ) i ( 1 4 ， 其中，1 ，为气核泡壁的径向速度，尺。为初始时刻气核半径，r 为气核半径，c 0 2 = p i p ，p i 为初始时刻气核内压力，p 为水流密度，七为空气的绝热指数，萨以t ) 为水的表面张力， t 为水温，m 为无穷远处水的压力；p ，印，( t ) 为气核内的蒸汽压力，f 为时间。 文丘里管内空泡及空泡群的演变及溃灭特性 气核能够发育成空泡的必要条件是压力低于空泡的临界压力p 。，条件达到时气核开 始发育，当气核发展到临界半径尺。时，自身便失去稳定性。此时，气核周围的液体大 量汽化，使气核迅速发育形成空泡。气核临界压力p 。、临界半径尺。可表示为【8 】： p c ：一2 o - 了( 1 i - 1 3 一k ) + p ， ( 1 5 ) 一丽广+ v ， l 疋= ( 骊2 0 冰 ) ，j 1 - - - - - - 夏 ( 1 6 ) 根据以上三式可以计算出不同初始半径r o 所对应的临界压力p 。、临界半径足。和发 展到临界半径所需的特征时间f c 。 1 2 4 空泡的溃灭 空化过程是从气核发育长大，再到空泡被压缩至溃灭的过程，这一过程与空泡周围 液体的压力密切相关。当空泡周围液体压力高于一定值时，空泡被压缩而急剧溃灭，空 泡的溃灭是一个极其复杂的物理过程，在溃灭瞬间产生很高的能量。至于为何空泡在溃 灭时能够产生高能，目前还缺乏权威的解释。空泡溃灭非常迅速，不容易被观察到，对 空泡溃灭的研究主要采用实验和高速摄影的手段，o h l t 9 】等应用每秒2 0 8 0 万帧的曝光速 度拍摄捕捉到了空泡渍灭过程中出现的细节现象。 1 3 空化效应及应用前景 1 3 1空化效应 空化发生以后，由于周围液体压力升高空泡被迅速压缩至急剧溃灭。在空泡溃灭的 瞬间，空泡周围的极小空间内将出现瞬时的高温高压，即热点i l 引，有时伴有闪光和噪声， 并能形成强烈的冲击波和高速微射流。空化效应主要有以下四种： ( 1 ) 机械效应：空化现象发生时，由于空泡的溃灭在液体中形成微射流和冲击波， 这种强烈的冲击对周围液体产生机械搅拌作用。机械效应已经通过计算和实验得到验 证，h a m m i t t l l l 】得出游移型空泡溃灭时微射流的冲击压强可高达6 9 1m p a ：微射流直径 约为2 3 9 m ：边壁受到的微射流冲击次数约为1 0 0 1 0 0 0 次( 秒厘米2 ) ；冲击脉冲作用 时间每次只有几微秒，其所形成的冲击力对表面材料造成腐蚀和疲劳破坏。 ( 2 ) 热效应：如果溃灭的空泡中含有相当数量的不凝性气体，由于空泡溃灭速度 非常迅速，在如此短的时间内泡内气体来不及被周围液体冷却，所以温度急剧升高，在 液体中形成局部的高温。 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 光学效应：在空泡溃灭时刻发出能被裸眼看见的光称为声致发光。1 9 3 4 年， f r e n z e l 和s c h u l t e s 首先在水浴中发现了超声激发的大量空泡的发光现象【1 2 】，这是最早发 现的多泡声致发光现象。g a i t a r l 1 3 】发现悬浮于驻波声场中的单一空化泡象时钟一样精确 地在每个崩溃时刻发出能被人的裸眼看见的光，这是单空泡声致发光现象。 ( 4 ) 化学效应：空泡溃灭产生的瞬间高压会打开水分子内的化学键，产生具有强 氧化性的自由基，同样也会使溶液中的大分子内的键断裂产生自由基，从而实现化学反 应。空化的化学效应已经开始被应用于生产生活的许多领域，如降解污水中的有机物【1 4 】 和实现对化学反应进行强化【l5 】等。 1 3 2 水力空化的应用前景 空化过程产生高温高压、自由基、冲击波和高速射流等一系列空化效应，其破坏作 用广泛存在于液流系统中。在对空化的破坏作用的研究过程中，人们开始认识到空化的 有益方面，对如何利用空化效应来实现特殊操作进行大量研究，并且收到了很好的效果。 水力空化技术是一种新型高效的能量利用方法。与超声空化相比，水力空化具有反 应装置简单、操作方便、能量利用率高、维护费用低、易实现规模化等优点。常用的水 力空化装置有：文丘里管、孔板、高速均质器、高压均质器及微型流化器等。液体流经 上述装置而发生空化，利用水力空化所形成的异乎寻常的高温、高压、强冲击波、高速 微射流等极端条件，可以开发和强化许多工艺过程，在化工、石油、生物化工、医药、 食品、环保等行业具有广阔的应用前景。水力空化可以对各种物理、化学过程进行强化， 如促进化学反应【1 6 】、微细胞裂解【17 1 、重油水解【1 司和消毒等。在重油水解方面，j o s h i 和 p a n d i t 研究了蓖麻油的水力空化水解过程【18 1 ，对不同浓度的油水混合物进行研究，水解 的程度用酸值来检测。实验结果表明，对于同样的水解效果，水力空化的能量消耗比传 统方法要低很多。可以看出，水力空化的能量利用率更高。在细胞裂解的实验中，传统 的方法是利用高压反应器，能量输入非常高，但真正用在裂解过程中的能量只占总量的 5 - 1 0 ，剩下的大部分能量是以热量的形式散发出去。p n a d i t 和h a r r i s o n 利用水力空 化装置进行实验，发现能量消耗只需要原来的5 1 0 ，能量利用率大大提高。利用空 化释放的能量对过程进行强化是水力空化应用的重要方面，水力空化效应能使在一般条 件下难以实现的化学反应得以实现。实现对过程强化的根本原因在于，空化效应可以打 开水分子的化学键，产生活性很高的自由基，进而产生活化效应。总之，水力空化作为 一种新型、高效、低耗、低排的新能源，必将应用于生产和生活的各个领域。 文丘里管内空泡及空泡群的演变及溃灭特性 1 4 课题的学科背景及相关内容 从发现空化现象以来，关于空化的理论和内容已经有了很大发展。在科技进步的今 天，空化涉及的领域仍在不断扩大。近年来，对防止空化破坏作用的研究主要集中在船 舶、水利、水电等方面。许多研究者对空化和空蚀机理进行了广泛深入的研究，取得了 许多成果，如空化起始、空泡测试、空泡动力学、空化影响因素、空蚀强度、材料抗蚀 性及空蚀、振动、噪声的防护措施等。对于利用空化技术方面，主要集中在化工、石油、 生物化工、医药、食品、环保等行业，主要成果有工业清洗、岩石破碎、牛奶混合、聚 合及解聚高聚物、污水处理等。 水力空化对过程的强化是水力空化应用的重要方面。为了研究水力空化对过程的强 化效果，寻求最佳的水力空化条件，需要从理论上对空化的动力学特性进行研究，全面 考虑空化的影响因素，建立合理的空化模型。对不同的影响因素进行研究，得到空化强 度与因素的定量关系，为该项技术的进一步研究提供理论依据。 空化是复杂的水动力学现象，因为空化发生时伴随着很多物理化学过程，如泡壁处 液体的蒸发和冷凝、气体的在泡壁处的析出和扩散、泡壁处液体与泡内气体的热传递、 泡内气体间的热传递、泡内气体间的化学反应等。正因如此，空化现象的研究内容相当 广泛，它包括：气核形成理论、空泡发育和溃灭时空泡壁的速度与加速度、溃灭时闻、 空泡表面的稳定性、空泡含物和液体性质( 包括粘性、表面张力、可压缩性、热力性质) 以及流体压力场和压力梯度等对空泡发育与溃灭的影响、空泡溃灭回弹的原因、空泡渍 灭时所产生的压力强度及破坏能力、空泡发声以及空泡发光等等。这些研究内容所涉及 的学科面非常广泛，涉及到热力学、分子运动论、统计物理、传热传质、流体动力学、 表面材料学、声学乃至光学等许多学科。研究空化问题时。各方面因素全面考虑是不可 能的。 本文主要应用空泡动力学、流体力学、计算流体力学和热力学对文丘里管水力空化 器内的空泡进行动力学研究，对含汽气型单空泡和空泡群的产生、发展及溃灭过程进 行数值模拟。得到不同参数下空泡及空泡群溃灭压力，对不同参数下空化区域进行数值 计算，并探索性的计算了空泡的溃灭温度。本文完成了对空泡的溃灭压力、溃灭温度和 空化区范围这三种标志空化强度的参数的计算，可以为水力空化器的设计和应用提供较 全面的理论依据。 大连理工大学硕士学位论文 1 5国内外研究进展 因为空化过程非常复杂、影响因素繁多，所以空化的研究涉及多门学科。由于空化 过程历时很短，尤其是空泡溃灭过程( 微秒数量级) ，有些空化现象不容易被观察，并 且空化区内部的空泡具有更小的尺寸，给空化的研究带来了很大障碍。虽然学者已经对 空化进行了大量的理论和实验研究，但是还有待于应用更先进的方法进一步深入研究。 下面是对本文涉及领域的研究情况的概述。 1 5 1 空泡动力学 各种类型的空化基本都是由单空泡发展而成的。如果在空间中空泡的密度不太大， 则可以忽略临近空泡运动影响，将每一个空泡看做是独立运动的。因此，研究单个空泡 的运动特性极其有关动力变化过程对不同类型的空化均具有普遍意义，有关的学科称为 “空泡动力学 ( b u b b l ed y n a m i c s ) 2 1 。 对于空泡动力学的研究，r a y l e i g h t l 9 l 是第一个获得空泡动力特性解析解方程的研究 者。他采用能量平衡原理，对无穷域内、均质、无粘性不可压缩流体中的一个球形理想 空泡的溃灭进行求解，得到了著名的空泡径向运动方程一r a y l e i 曲方程，为空泡动力学 的发展奠定了基础。 以r a y l e i g h 方程为基础，许多学者考虑了表面张力、液体粘性和可压缩性等因素对 理想空泡运动方程进行修正，作出了巨大贡献。p o r i s k y 2 0 】等人对球形空泡在粘性流体中 的膨胀和压缩过程进行了研究，发现液体的粘性会延缓空泡的压缩和膨胀，但只有比水 大得多的粘性才对空泡的发育和溃灭产生明显的影响。p o r i s k y 还曾进行了同时考虑液 体粘滞性和表面张力的计算，结果表明表面张力加速了压缩过程，但对膨胀过程起了延 缓作用。i v a n y 2 1 】等人对粘性流体中的空泡溃灭进行了数值模拟和实验研究，发现与粘 滞性相比，表面张力对正在溃灭的空泡影响很小，一般可以忽略。p l e s s e t 在考虑表面张 力和液体粘性等情况下，对r a y l e i g h 方程进行了修正，得出了实际流体中空泡动力学方 程，r a y l e i g h p l e s s e t 2 2 1 方程。c h o n g 2 3 】等人研究了流体粘性对气体空泡发育的影响，黄 继汤等人也对液体粘性对空泡压缩和膨胀的影响进行了数值计算1 2 引，随后采用高速摄影 资料得出压缩和膨胀情况下泡径随时间的变化，实验和理论结果都表明液体粘性使空泡 压缩过程明显变缓；液体越粘，则粘性差别的影响越小：液体粘性很大时，空泡的收缩 现象不明显。液体中的粘性使空泡膨胀的过程明显变缓；但膨胀初期，粘性的影响不明 显。p l e s s e t 曾经在考虑表面张力的情况下，应用r a y l e i g h 方程研究了外压变化时蒸汽泡 直径在膨胀和压缩过程中的变化，并将理论计算与用高速摄影测量的空泡直径变化的结 果进行了比较，发现在空泡膨胀和压缩的大部分过程中，理论计算与实验数据相吻合， 文丘里管内空泡及空泡群的演变及溃灭特性 但在空泡膨胀初期与溃灭末期，二者还有一定差距。计算的压缩溃灭历时要比实验测得 到的历时略短。p l e s s e t 认为，膨胀初期二者不一致是由于理论计算用的边界条件是无限 边界，而实测的空泡是在边壁附近的变化过程。而在空泡溃灭末期，二者不一致是因为 泡壁速度已经很大，与液体中声速相比己不是微量，此时液体的可压缩性已有明显影响， 且起到降低泡壁速度的作用。h u n t e r l 2 5 】在研究爆炸空泡时，发现相对半径约为5 ，马 赫数超过0 3 时，可压缩性就开始变得重要。t r i l l i n g 2 6 j 采用拟声学近似法，即假设液体 的流速与声音在液体中的传播速度相比总是很小的。略去了所得非线性微分方程中的高 阶项，应用一阶近似来研究空泡溃灭时泡表面的情况，并将其推广应用于空泡周围液体 中，求其速度场和压力场，由此计算空泡溃灭和回弹再生的条件。g i l m o r e 2 7 1 采用 k i r w o o d b e t h e t 8 1 假设，即压力扰动的传播速度等于音速和液体局部速度之和，导出了空 泡内压力变化时泡壁运动的近似方程，并对粘性与表面张力的影响进行讨论，为以后处 理可压缩液体中的空泡溃灭奠定了基础。m e l l e n 2 s 】和f l y n n l 2 9 】等人利用修正的g i l m o r e 方法处理了非线性可压缩问题，前者计算过空泡完全溃灭时的冲击波，后者建立了一个 特殊模型并提出了一个求解方法。 赵健和汪鸿振等曾对r a y l e i g h 、t r i l l i n g 和g i l m o r e 方法的三种球形泡壁运动方程的 精确度和适应范围进行了分析比较【3 0 1 ，认为r a y l e i g h 法的方程式虽然简单，但它不考虑 可压缩性而导致较大误差，只在泡壁速度的马赫数远小于1 和小焓差时间变化率下具有 较高的精度；t r i l l i n g 和g i l m o r e 方程在小马赫数下具有较好的精度，其中g i l m o r e 方程 的计算结果精度更高。k e l l e r 和k o l o d h e r l 3 1 将周围液体看做是可压缩的，进而考虑了声 辐射效应的影响。e p s t e i n 和k e l l e r l 3 2 j 用同样方法推导出空泡的一维及二维方程。k e l l e r 和m i k s i s e 3 3 】结合以上修正，在考虑了声辐射效应、液体粘滞、空泡表面张力及入射声波 之后，推导出一个新的空泡振动方程，被后人称为k m p o l y t r o p i e 方程。p r o s p e r e r t i 和 l e z z i 3 4 - 3 5 】则通过小扰动理论导出了可压缩流体中球形空泡的泡壁运动的一阶近似和二 阶近似方程，并进行了数值计算，结果表明流体的可压缩性对空泡的溃灭有很大影响。 1 5 2 空泡群动力特性研究 在空化发生时，一般产生多个空泡或空泡群，只有在极端的控制条件下产生单空泡。 空泡群溃灭产生的巨大能量是