（化学工程专业论文）基于fluent软件的水力空化数值模拟.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 空化是由于液体中的局部低压( 低于相应温度下该液体的饱和蒸汽压) 使液体汽化 而引发的微气泡( 或称气核) 爆发性生长现象。根据空化产生的方法一般可以分为四种 类型：声空化，光空化，粒子空化和水力空化。其中，水力空化现象发生在很多场合， 例如在有管径急剧变化的管道中和水力机械中。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，可以强化许多工艺过程。因此，水力空 化在许多领域都具有广阔的应用前景。 随着计算流体力学( c f d ) 的发展，数值模拟技术以其高效、低成本、能适应多种 可变因素等优势在越来越多的领域得到推广和应用。本文使用c f d 软件f l u e n t 对文 丘里管中的空化流场进行数值模拟，分析研究了操作参数、物性参数和结构参数对空化 效应的影响，所得主要结果如下： ( 1 ) 在f l u e n t 中，可以采用标准k - e 模型和空化泡动力学模型对文丘里管中的 水力空化进行数值模拟； ( 2 ) 当出口压力一定时，升高入口压力可以增强空化效应； ( 3 ) 随着温度的升高，液体的饱和蒸汽压也随着增大，这有利于产生空化；而同 时液体中溶解的气体含量则随着下降，这又限制了空化的发生；在4 0 c 附近空化核心区 汽含率最小，空化强度最弱： ( 4 ) 液体的粘性对空化具有抑制作用，粘性越大空化强度越弱； ( 5 ) 表面张力对空化的影响不明显； ( 6 ) 当液体中初始含气量很小的时候，随着液体中初始含气量的增大，空化强度 也随着增大；当液体中初始含气量增大到一定程度后，随着含气量的增大，空化强度则 随着减小； ( 7 ) 随着文丘里管内壁表面粗糙度的增大，管内空化核心区的汽含率也随着增大； ( 8 ) 文丘里管的喉部直径、入口锥角和出口锥角对空化效应有着重要的影响。本 文的计算结果为文丘里管的优化设计提供了依据。 关键词：水力空化；数值模拟；f l u e n t i 流场；文丘里管 基于f l u e n t 软件的水力空化数值模拟 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no f h y d r o d ) 7 n a m i cc a v i t a t i o nb a s e do nf l u e n t a b s t r a c t c a v i t a t i o ni saw e e n yg a sb u b b l e s ( o rc a l l e dg a sn u c l e u s ) s u d d e n l yg r o w i n gp h e n o m e n o n ， w h i c ha r o s e db yl o c a ll o wp r e s s u r e ( 1 0 w e rt h a ns a t u r a t e ds t e a m p r e s s u r ea tt h es a m e t e m p e r a t u r e ) i nt h el i q u i d c a v i t a t i o ni sc l a s s i f i e di n t of o u rt y p e sb a s e do nt h em o d eo fi t s g e n e r a t i o n ：a c o u s t i cc a v i t a t i o n ，o p t i cc a v i t a t i o n ，p a r t i c l e c a v i t a t i o na n dh y d r o d y n a m i c c a v i t a t i o n h y d r o d y n a m i cc a v i t a t i o no c c u t si nm a n yc a s e s s u c ha si np i p i n g 、树t hd i a m e t e r s u d d e n l yc h a n g e d ，a n di nw a t e r p o w e rm e c h a n i s m u s i n ge x t r e m ec o n d i t i o n ( h i g ht e m p e r a t u r e ， h i g hp r e s s u r e ，s t r o n gb o ww a v ea n dh i g hs p e e dj e t f l o w ) a r o s e db yh y d r o d y n a m i cc a v i t a t i o n c o u l ds t r e n g t h e nm a n yt e c h n o l o g i cp r o c e s s e s s o ，h y d r o d y n a m i cc a v i t a t i o ni sw i d e l ya p p l i e d i nm a n yf i e l d s a l o n gw i t l l t h e d e v e l o p m e n t o fc o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n a m i c s ( c f d ) n u m e r i c a l s i m u l a t i o ni sa p p l i e dm o r ea n dm o r ew i d e l yd u et oi t sh i g he f f i c i e n c y ，l o wc o s ta n dw e l l a d a p t a b i l i t y i nt h i st h e s i s t h ec f d s o f t w a r ef l u e n ti su s e dt os i m u l a t et h ef l o wf i e l d so f c a v i t a t i o ni nt h ev e n t u r i n l ei n f l u e n c e so ft h eo p e r a t i o np a r a m e t e r sa n dp h y s i c a lc h a r a c t e r s a n ds t r u c t u r e so nc a v i t a t i o ne f f e c ta r ei n v e s t i g a t e d ，a n ds o m ec o n c l u s i o n sa r ee d u c e d 1 i nf l u e n t t h es t a n d a r dk _ m o d e la n dt h ec a v i t a t i o nb u b b l ed y n a m i c sm o d e lc o u l d b eu s e dt os i m u l a t et h eh y d r o d y n a m i cc a v i t a t i o ni nt h ev e n t u r i 2 w h e no u t l e tp r e s s u r ei sc o n s t a n t i n c r e a s i n gi i l l e tp r e s s u r ec o u l de n h a n c ec a v i t a t i o n e f f e c t 3 t h es a t u r a t e ds t e a mp r e s s u r eo ft h el i q u i di n c r e a s e sw h e nt e m p e r a t u r ei n c r e a s e s w h i c hi sp r o p i t i o u st oe n g e n d e r i n gc a v i t a t i o n a n da tt h es a m et i m e ，t h eg a sd i s s o l v e di nt h e l i q u i dd e c r e a s e s ，w h i c hi sn o tp r o p i t i o u st oe n g e n d e r i n gc a v i t a t i o n a ta b o u t4 0 ( 2 ，t h ev a p o r f r a c t i o no f t h ec a v i t a t i o nc o r ea r e ai st h e1 e a s t 。a n dc a v i t a t i o ne f f e c ti st h ew e a k e s t 4 t h ev i s c o s i t yo ft h el i q u i dr e s t r a i n sc a v i t a t i o ne f f e c t t h em o r ev i s c o u st h el i q u i di s a n dt h ew e a k e rc a v i t a t i o ne f f e e ti s 5 t h ei n f l u e n c eo f t h es u r f a c et e n s i o no nc a v i t a t i o ni sn o te v i d e n t 6 w h e nt h eg a sd i s s o l v e di nt h el i q u i di sv e r yl i t t l e ，c a v i t a t i o ne f f e c te n h a n c e sa l o n g w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h eg a s a n dw h e nt h eg a si n c r e a s e st os o m ed e g r e e ，c a v i t a t i o ne f f e c t w e a k e n sa l o n gw i t ht h ei n c r e a s i n go f t h eg a s 7 m e nt h ew a l lr o u g h n e s so ft h ev e n t u r ii n c r e a s e s t h ev a p o rf r a c t i o no ft h ec a v i t a t i o n c o r ea r e aa l s oj n c r e a s e s 大连理工大学硕士学位论文 8 。t h eg u l a rd i a m e t e ra n di n l e ta n g l ea n do u t l e ta n g l eo ft h ev e n t u r i sh a v ea ni m p o r t a n t i n f l u e n c eu p o nh y d r o d y n a m i cc a v i t a t i o n a n da c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o n ， s e v e r a ls t r a t e g i e sf o rt h eo p t i m i z a t i o no f v e n t u r ia r ep r o p o s e d 。 k e yw o r d s ：h y d r o d 3 ，n a m l cc a v l t a t i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；f l u e n t ；f l o wf i e l d ； v e n t u r i 大连理工大学硕士学位论文 引言 早在1 7 5 3 年欧拉就曾指出：“水管中某处的压强若降到负压时，水即自管壁分离， 而该处将形成一个真空，这种现象应予避免”。1 9 世纪后半叶，随着蒸汽机船的发展， 发现螺旋桨转数提高到一定程度后反而使航速下降。1 8 7 3 年雷诺曾解释这种现象是因为 当螺旋桨上压强降到真空时吸入空气所致。1 8 9 6 年帕森斯建立了世界上第一个研究空化 的小型水洞。1 8 9 7 年巴纳比和帕森斯在英国“果敢号”鱼雷艇和几艘蒸汽机船相继发生 螺旋桨效率严重下降事件后，提出了“空化”的概念，并且指出在液体和物体间存在高 速相对运动的场合可能出现“空化”。2 0 世纪初期，高坝的泄水建筑物上相继出现空蚀 破坏，因此，托马斯于四十年代设计并制造了减压箱。在减压条件下研究泄水建筑物的 空化问题。 空化是极具破坏性的水力学现象，其危害涉及小型水力机械和大型水利工程。从发 现空化现象以来，空化现象的理论及内含已经有了很大的发展。随着科技的进步，涉及 空化现象的领域也愈来愈多。研究者们已经能够对空化现象有较为有效的预防并且进行 了有益的利用。近三十年来，船舶、水利、水电等部门的许多研究者对空化和空蚀机理 进行了广泛深入的研究，这些工作及成果主要集中在空化起始、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、噪声的防护措施等方面。 本文的主要工作分为理论分析、数值计算和实验研究三个部分。其中，数值计算是 本论文的主要部分。主要是对文丘里管中的空化流场进行模拟计算。这部分包括：湍流 模型的选择、操作参数的影响、物性参数的影响和结构参数的影响。其中，湍流模型的 选择，分别考察了k d 模型、雷诺应力模型、标准k - e 模型、r n g k 模型和r e a l i z a b l e k - e 模型对空化模拟的适应性；操作参数的影响，考察了不同操作压力和不同操作温度； 物性参数的影响，分别考察了工作液体的物理性质和文丘里管内壁的表面粗糙度，其中， 液体物性影响分为粘性的影响、表面张力的影响、初始含气量的影响三个方面；结构参 数的影响，包括文丘里管不同的喉部结构、喉部直径、入口锥角和出口锥角对空化强度 的影响。 本文着重模拟了文丘里管中的空化流场，综合考虑了工作液体和文丘里管的物理性 质的影响，在管的内壁区域采用壁面函数法进行处理，这是与前人进行模拟计算所不同 的地方。本文的计算结果对实验具有一定的指导意义，并为文丘里管的优化设计提供了 依据。 基于f l u e n t 软件的水力空化数值模拟 1 文献综述 1 1 空化现象及空蚀问题 在温度不变的情况下，若液体中某处的压强降到或低于某一临界压强，液体内部原 来含有的很小的气泡将迅速膨胀，则该处会产生可见的含有蒸汽和其它气体的微小空 泡。这种现象类似于沸腾。为了与沸腾相区别，常把由于压强降低使水( 或其它液体) 汽化的过程称为“空化”【l 】。空泡中饱含液体的蒸汽和由液体中析出的原来溶解于液体 中的某些气体。以含液体蒸汽为主的空泡可称为蒸汽空泡或汽化空泡，而含气体为主的 空泡则称为气体空泡或气化空泡。含有空泡的液流称为空泡流。显然，空泡流是一种两 相流。实际观察表明，有时空泡大部分是气体，而有时则大部分是蒸汽，因此又引进了 气体空泡和蒸汽空泡二词以资区别。 液体流经的局部地区，压强若低于某临界值，液体也会发生空化。在低压区空化的 液体挟带着大量空泡形成了“两相流”运动，因而破坏了液体宏观上的连续性，水流挟 带着的空泡在流经下游压强较高的区域时，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。 空化现象是液体从液相变为汽相的相变过程，同时又是瞬息变化的随机过程。显然， 空化现象是极其复杂的。由于空泡在溃灭时产生很大的瞬时压强，当溃灭发生在固体表 面附近时，水流中不断溃灭的空泡所产生的高压强的反复作用可破坏固体表面，这种现 象称为“空蚀”( c a v i t a i o nd a m a g e ) 。空化泡溃灭后可以在空化泡外观察到两个重要 的现象：流体微射流的形成和从空化区发射出来的强冲击波。微射流的形成主要是由于 边界层附近空化泡里对称溃灭【2 捌。这些微射流和冲击波是设备发生空蚀的主要原因( 例 如泵的空蚀) 。空蚀是最为引入注意的现象，至少在工程界，这是最广泛的被承认的空 化后果。因为空蚀破坏与空化现象的关系如此密切，所以相当多的工程技术人员常常简 单地将这种破坏泛称为“空化”。空蚀剥蚀表面材料，从而破坏过流的固体边界。人们 发现，空化能破坏各种固体。因而，所有金属不论是软和硬，脆性的还是塑性的，在化 学上是活性还是惰性的，都曾遭受过空蚀破坏。 应该指出的是，由于空化和空蚀是微观、瞬时、随机、多相的复杂现象。到目前为 止，有关空化和空蚀的理论及不少研究成果还不能令人完全满意。许多问题还有待进一 步深入研究和探索。近年来，借助流体显形和数值模拟等先进的研究方法和手段，空化 和空蚀的研究正向更深入、更微观的领域发展。 大连理工大学硕士学位论文 1 2 课题的工程与学科背景 早在1 7 5 3 年欧拉( e u l e r ) 就曾指出：“水管中某处的压强若降到负压时，水即自 管壁分离，而该处将形成一个真空，这种现象应予避免”。1 9 世纪后半叶，随着蒸汽机 船的发展，发现螺旋桨转数提高到一定程度后反而使航速下降。1 8 7 3 年雷诺( o r e y n o l d s ) 曾解释这种现象是因为当螺旋桨上压强降到真空时吸入空气所致。1 8 9 7 年巴 纳比( s w b a r n a b y ) 和帕森斯( c a p a r s o n s ) 在英国“果敢号”鱼雷艇和几艘蒸汽 机船相继发生螺旋桨效率严重下降事件后，提出了“空化”的概念，并且指出在液体和 物体间存在高速相对运动的场合可能出现“空化”1 4 j 。 从发现空化现象以来，空化现象的理论及内含已经有了很大的发展。随着科技的进 步，涉及空化现象的领域也愈来愈多，例如高速螺旋桨、高速鱼雷雷体、高速潜艇、水 翼、水泵、水轮机、水工泄水建筑物、原子能、宇航甚至生物学和医学等。近3 0 年来， 船舶、水利、水电等部门的许多研究者对空化和空蚀机理进行了广泛深入的研究，这些 工作及成果主要集中在空化起始、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、噪声的防护措施等方面。 空化是极具破坏性的水力学现象，其危害涉及小型水力机械和大型水利工程。同时， 空化、空蚀问题一直是长期困扰水力机械专家的难题。从一百多年前人们对空化现象首 次的物理描述，到利用超声空化对反应过程进行强化，研究者们已经能够对空化现象有 较为有效的预防并且进行了有益的利用，不论是空化对水力机械所造成的危害，还是利 用超声空化对物理、化学过程进行强化，都是基于空泡溃灭时产生的高聚能量这一点。 利用这种能量对其进行过程强化，对于需要极端反应条件的物理、化学过程及节约能源， 不失为一种很好的选择。特别是超声空化近十年来已经成为经久不衰的研究课题【5 】。研 究表明，超声空化对各种物理、化学过程有很好的强化效果，例如超声波清洗器 6 】、利 用超声空化处理溶液中蔗糖晶体的生长1 7 j 等等。但随着对超声空化研究的深入，人们在 对超声空化能够对反应过程进行很好的强化产生乐观的同时，对于将超声空化进一步应 用到工业化规模的探索上，遇到了不可逾越的困难。在这个过程中需要专家同时具备声 学、材料学、机械、化工多方面的知识，而这是很难做到的。水力空化不失为一个很好 的替代方法。和传统的强化方法及超声空化相比，水力空化设备简单、能量利用率更高、 更易实现工业化操作i s 。因此，水力空化对过程强化的研究在近几年已成为科学研究的 热点。 对于水力空化的演变及强化效果，目前针对性较强的研究报道很少，但一些与此相 关的研究报道，尽管不能直接应用，但对水力空化的一些现象，开展进一步的研究工作， 具有重要的参考价值和指导意义。例如：对喷嘴中汽液两相流的强脉动场进行了数值模 基于f l u e n t 软件的水力空化数值模拟 拟 9 q o 】；针对喷嘴动力学的研究，揭示出了喷嘴内的震荡流和喷嘴外的喷射流非稳定特 性】；针对气泡在文丘里管中运动动力学研究，对单个和两个气泡在文丘里管中运动和 溃灭行为进行了理论描述【l2 】；针对液面和固体表面附近泡动力学研究，对柔性和刚性表 面对空化泡溃灭形态的影响给出了理论描述i 玎】。现在，已经有部分学者开始关注水力空 化的应用研究，相信随着研究的进一步深入，实现水力空化的工业化是指日可待的。 1 3 课题涉及的相关问题 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、溃灭时间、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、空泡溃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【l 】。 1 4 空化机理 空化是由于液体中的局部低压( 低于相应温度下该液体的饱和蒸汽压) 使液体汽化 而引发的微气泡( 或称气核) 爆发性生长现象i 】4 1 。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，有大团自雾状：( 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。空泡的初生、膨胀、收缩、溃灭、再生直至最 后消失的这一过程称为空化过程或空化。 k n a p p 和h o l l a n d e r 根据高速摄影影片( 2 0 0 0 0 祯秒) 所绘制的，某一空泡的空化 过程以及溃灭和再生，空泡的尺寸与时间的关系曲线【”j 如图1 1 所示。从图中可以看出， 该空泡溃灭和再生交替发生达六次之多，而整个空化过程的历时很短，尚不到千分之六 秒。 4 大连理工大学硕士学位论文 弋、 空2 篇鹄 。 _ 一 ， 鎏 划 喇 1筝 。 ，h - ： 、 i! ； 义 ：篱 n骡喜掣 、_ 飞警 y 、，、 器 0 0 0 1 0 。0 0 2 0 。0 0 3o 0 0 40 。0 0 50 。0 0 6 对阍( 霉) 图1 1 空泡的空化过程 f i g 1 1t h ep r o c e s so f c a v i t a f t o n 1 4 1 液体中的气核 掖体中之所以发生空化，是因为水中含有气核( 空化核) ，产生空化现象的两个必 要条件是液体中空化核的存在和低压场的作用。 根据亨利定律，气核中的压强应为： p = 昂+ i 2 0 ( 1 1 ) 式中，p 为气核内压强；p o 为水静压强：a 为气核与水体边界上的表面张力系数。通常 在2 0 c 时，a = 0 0 7 2 8 n m ；r 为气核半径。由上式可知，尺寸很小的气核，其内部的 压强是很大的，核子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，核子不可能长期存留在水中。这样，就得出一个很奇怪的结论：一方面， 要产生空化、空蚀现象，就必须有核子的存在；面另一方面，核子叉不可能在水中长期 存在。对于这个矛盾，e n h e r v e y 于1 9 4 7 年提出1 6 1 ：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永的，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： e o o o o o o o o 执l 敦 麓 皱 曩 髓 t & 镇爨距离潍 基于f l u e n t 软件的水力空化数值模拟 ( o ) 平衡界匿 ( b ) 磊暴丽一一 ( c ) 一一最螽褊面一 r = 初始平衡界面；r f = 最终平衡界面 ( a ) 液体被气体所饱和。平衡位置的界面半径为r ，接触角0 e 9 0 0 + ( b ) 液体未被气体所饱和。r 减小，液体进入裂缝，0 a 0 。 ( c ) 液体被气体所过饱和 图1 2 气体一蒸汽空腔在憎水性裂缝内的稳定作用 f i g 1 2s t a b i l i z a t i o no f an u c l e o ni nah y d r o p h o b i cc r a n n y 当液面平衡时应有： p g + 只一r = 一百2 0 ( 1 _ 2 ) 上式中，p 。为空泡内气体的压强，p 。为空泡的蒸汽压强，p 0 位水体内压强，o 为表面张 力系数，r 为界面的曲率半径。 假定p 。、o 都与曲率半径无关。则当p 。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 0 。半径r 小于平衡值，同时气体中的p g 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p g 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。 14 2 空化初生及空化数 严格说来，当流速不变而压强降低( 或压强不变流速增加) 时，流场内极小区域内偶 然初次出现微小空穴的临界状态称为空化初生。 大连理工大学硕士学位论文 判断空化初生的方法主要有以下几种【1 7 1 ：( 1 ) 目测法：用肉眼观察流场内部是否有空 穴发生；( 2 ) 噪声法：探测流场内空泡初生时发出的超声波来判断空化初生；( 3 ) 光学法： 根据光电池接收到的通过流场的光量的减弱来判断空化初生；( 4 ) y 射线法：利用水与空 泡对y 射线的吸收能力来测量空化初生；( 5 ) 全息摄影法：利用激光对水中空泡形象进 行摄影来分析空化初生；( 6 ) 纹影法：利用水加温后，水与空泡在光源照射下不同的纹影 来判断空化初生。 在实际操作中，由于实验条件不同和空化现象的复杂性，用上述各种方法确定的空 化初生状态不完全一致，目前尚没有统一的判断方法。 空化数是描述空化初生和空化状态的一个重要参数，其定义为： c ：甓二 ( 1 3 ) 2 “ 式中，p 和v 分别为液体中某一选定点的绝对压强和流速，p v 为某一温度下的饱和蒸汽 压，p 为液体密度。 空化数主要有以下几个特点【8 j ：空化数与管中的流体速度是独立的，和管的结构有 一定的关系；空化数随b ( s = d d ，d 是f 良流区域的直径，d 是管径) 线性增加：随着空 化数的减小，空化越发剧烈。 空化数有以下几个方面的意义l l8 l ：( 1 ) 判断空化初生和衡量空化强度。当流场内 的最低压力达到空泡不稳定的临界压力时，空化现象就会首先在该处发生，这里的空化 数称为临界空化数或初生空化数c i ：( 2 ) 可以描述设备对空化破坏的抵抗能力。各种 水利机构都有相应的c 值，c i 值越低，说明空化所需的压力将越大，该设备抵抗空化破 坏的能力越强；( 3 ) 衡量不同流场空化现象的相似性。在r e 数、f r 数、w c 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 4 3 空化产生和发展的影响因素 影响水中空化产生与发展的主要因素有：流动边界形状、绝对压强和流速等。此外， 水流粘性、表面张力、汽化特性、水中杂质、边壁表面条件和所受的压力梯度等也有一 定影响。 ( i ) 水流中含气量及气核分布的影响。当流速固定时，空化强度随着含气量的增加 而增大；如果含气量小且不变时，空化强度值随流速的增加而增大。如果来流中包含有 各种不同尺寸的气核，则会有很多不同的空泡初始半径凡，只有半径在凡的上限和下 限之间的气核才会在低压区内发育、膨胀到空化的程度。 基于f l u e n t 软件的水力空化数值模拟 ( 2 ) 压强分布的影响。当流场中最小压强等于蒸汽压时，将发生空化。如果流场中只 有一个点上的压强等于蒸汽压时，则因水流流经这点时没有足够的时间使气核发育，故 不发生空化。此外，物体壁面上的压力脉动也对空化初生有影响。试验表明，只要流场 中某点的总压强( 时均压强与脉动压强之和) 低于流体的临界压强，就会发生空化。 ( 3 ) 来流紊流度的影响。大的来流紊流度可以使流场中各点的压力脉动增大，气核 交替膨胀和收缩产生振荡运动，脉动负峰值可使瞬时压力降低，从而使水流中某些点上 的压强低于产生空化的临界压强的概率增加，促使空化提前发生。 ( 4 ) 粘性的影响。这种影响实际上是雷诺数的影响。粘性或雷诺数影响边界层的分 离，因而影响壁面上最小压力点的位置，即影响空化初生的位置。对尾流和射流而言， 空化现象首先出现在因分离所引起的剪切层的表面，雷诺数大时，尾流和射流的剪切层 都是紊流剪切层，故对空化初生有显著影响。淹没射流的空化首先发生在剪切区中紊流 旋涡的低压核心处。 ( 5 ) 高分子聚合物的影响。水中加入少量高分子聚合物溶液可以减小水流阻力，但 同时使初生空化数明显减小，使空化受到抑制。可能是高分子聚合物降低了自由剪切层 过渡区中的压力脉动的缘故。 ( 6 ) 壁面物性的影响。壁面粗糙度对空化初生和发展有重要影响。一般来说，粗糙 壁面要比光滑壁面上空化初生偏早。这是因为在粗糙凸起后面的流动易发生分离，从而 使负压脉动增加所致。壁面的浸润性对空化初生也有影响。试验结果表明，尼龙、聚四 氟乙烯等疏水材料的初生空化数普遍比不锈钢、玻璃等亲水材料高。这是由于疏水材料 的初生空化数主要是表面气核的作用，而亲水材料的空化初生是流动气核起主要作用。 ( 7 ) 含沙量的影响。试验表明，当含沙量低于1 0 k g m 3 时，对空化的发生、发展稍有 促进作用，其原因是沙粒表面携有气核，且固液两相流因密度差而出现的相对运动有利 于空化的产生；当含沙量在1 0 - - 4 0 k g m 3 时，对空化有明显的抑制作用，这是因为此时 水的粘滞性明显加大；当含沙量大于4 0 k g m 3 时，对空化的抑制作用基本稳定。 1 4 4 空泡的溃灭 空泡溃灭是一个极其复杂的物理过程，至于为何在溃灭时能够产生如此高的能量， 目前尚缺乏较权威的解释。现将多个空泡视为泡群来研究，对空泡群溃灭过程有如下几 个模型：( 1 ) 单个空化泡溃灭的冲击波叠加成一个单个的高强度的破坏性冲击波；( 2 ) 多 个空化泡同时发生溃灭构成一个巨大的冲击波；( 3 ) 基于能量传递的观点，溃灭的空泡 将能量传递给未破裂的，外部空泡的破裂导致其周围局部压力增加，这个压力使其内部 大连理工大学硕士学位论文 空泡破裂。因此，单个空泡的潜在破坏性或溃灭压力沿空化群中心逐渐增加。第三种模 型更适于解释现有的空泡溃灭时的情形 1 9 1 。 图1 , 3 表示液体中单个空泡的渍灭，这个空泡是由高能量的超声波产生的捌。 图1 3 单个空化泡的溃灭过程( 曝光速率：2 0 0 0 0 0 0 0 f p s ) f i g i 3c o l l a p s e o f as i n 酗e 词m 疏1 0 - b u b b l e ( f r a m e 哺l e2 0 i x ) i ) 0 0 0f p s ) 图1 4 为空泡的射流一溃灭模式及微射流的形成【3 1 。 亡3出 魅藏糯 ( 1 ) 附着壁面的半球形空泡 ( 1 ) p , u h h 1 s a l t a c h e d m 抽e w a l l ( 2 ) 空泡移入压力梯度区 ( 2 ) b u b b l em o v i n gi n t o 舯s s u 坤g m d ；e n l 号蕊 基于f l u e n t 软件的水力空化数值模拟 。口出国脑 ( 3 ) 空泡近边壁溃灭 ( 3 ) b u b b l ec o l l a p s i n gn e a rw a l l 图1 4 射流渍灭模式 f i g 1 4j e tc o l l a p s em o d e l 1 4 5 空泡溃灭所产生的压力 研究者通过观察水力设备产生的空蚀现象，分析出空化现象发生的过程中产生的空 化泡的溃灭必然会产生强大的能量( 高温高压) ，才使设备产生不同程度的空蚀破坏。 空化过程蕴含着十分复杂的湍流现象，而湍流问题的研究一直是流体力学上的难点，所 以，直接模拟空化流场来计算空化能量是十分困难的。现在所取得的计算结果也是将空 化流场进行相当大程度的简化，所得结果均误差较大，且订算量也相当大。最早研究这 方面的学者就是利用数值计算的方法。r a y l e i g h 是这方面研究的开拓者，他主要是利用 简单的水锤公式求得的，在水锤公式中，给出了动能转换为储存在压缩液体中的势能的 压力升高，其值为： p = p c a u ( 1 4 ) 式中，c 为泡壁处的音速，u 为泡壁速度。在空泡直径最小时，u = 0 ，a u = u 。当 泡壁速度u 趋近于音速c 时，这个计算溃灭压力的简单方法甚至连近似的结果都不能得 到。对多数液体来说，音速是每秒几百米，因此，在溃灭速度低于音速时，可能得到高 达3 1 0 6 大气压的溃灭压力。而且，这一方法在溃灭阶段还不考虑液体的可压缩性、空 泡含物及其它影响，也没有反映溃灭压力冲击波的影响。 表1 1 是早期的对渍灭压力的一些计算结果l ”。特里林计算的大型空泡，渍灭时最 大压力达2 2 0 0 个大气压。在希克林和伊万尼的计算中，每次空泡初始直径的减小，引 起最大压力的增大，部分是由于含气量的变化的缘故。在早期的研究中由于实验条件 的限制鲜有用实验方法测量的。h a r r i s o n 报导过在离溃灭点1 0 厘米处液体中的压力测 量，记录到压力峰值达到1 0 个大气压。他推断，在溃灭点可能显示高达4 0 0 0 个大气压 的压力。也要研究者通常利用研究产生空化、空蚀破坏的水利设备上的麻点、凹坑的形 态和大小来估算空化泡溃灭时产生的高温高压。随着传感器的发展，压电式传感器逐渐 成为研究者们利用的主要测量工具，但这些传感器都需要特别设计制造。j o n e s 和 大连理工大学硕士学位论文 e d w a r d s 利用自逮压电式传感器测得溃灭压力最高可达1 。g p a ，k i r e j c z y k 利用类似的 方法测得压力范围为4 8 8 1 g p a 。从可以获得的这些数据中可以看出，空泡就好像一个 能量高度集中的微小体，一旦溃灭压力会大得惊人。 表1 1 早期的空泡溃灭时计算的压力 t a b 1 1t h ec o m p u t a t i o n a lp r e s s u r eo f b u b b l ec o l l a p s ei nt h ee a r l i e rs t u d y 外部压力含气量初始空泡初始空泡溃灭时空泡溃灭时最 研究者( m p a )c p c ，压力半径r 。半径大压力 ( m p a )( m m ) ( 非o ) 岫 ( a r m ) 特里林 o 1 51 42 1 0 。l o0 0 6 42 2 0 0 希克林0 1 1 41 0 40 0 1 72 5 0 0 0 希克林0 1 1 4 i 0 500062 5 0 0 0 0 伊万尼 o 1 1 31 0 11 2 70 ，0 0 9 86 7 7 0 0 伊万尼0 1 1 31 0 。1 2 70 0 0 3 15 8 2 0 0 0 由于空泡在溃灭时会产生如此大的瞬时压强，当溃灭发生在固体表面附近时，水流 中不断溃灭的空泡所产生的高压强的反复作用可造成固体壁面的空蚀破坏。 1 5 空蚀破坏机理及其影响因素 1 5 1 空蚀破坏机理 固体壁面产生空蚀破坏的机理有机械作用、化学腐蚀作用、电化学作用和热作用等。 其中，较为公认的是机械作用为主【4 】。 ( 1 ) 机械作用理论：机械作用理论研究者认为过流壁面产生空蚀破坏是由于空泡溃 灭时产生微射流和冲击波的强大冲击作用所致。h a m m i t t 通过计算和实测得出，游移型 空泡溃灭时，近壁处微射流速度可达7 0 1 8 0 m s ( 有人认为可高达6 0 0 m s ) ：在物体表面 产生的冲击压力可高达6 9 1 m p a ；微射流直径约为2 3 j x m ，空蚀坑直径为2 2 0 p m ；表 面受到微射流冲击次数约为1 0 0 1 0 0 0 次( s - c m 2 ) ；冲击脉冲作用时间每次只有几微秒， 这样高的冲击作用将直接破坏物体表面而形成蚀坑，较小冲击力的反复作用则引起物体 表面疲劳破坏。 ( 2 ) 化学腐蚀理论：许多金属在腐蚀的情况下受到破坏要比不存在化学作用时快得 多。因此，当力学冲击力过小，每次冲击不足以造成壁面破坏，并且作用也不够频繁而 不足以造成壁面的疲劳破坏时，化学腐蚀作用可以加速避免的破坏。一般说来，特别是 基于f l u e n t 软件的水力空化数值模拟 对金属而言，化学腐蚀作用常常与机械空蚀作用互相促进，空蚀加速腐蚀，腐蚀也加速 空蚀，二者联合作用造成更严重的壁面破坏。 ( 3 ) 电化学理论：在空泡溃灭时的高温高压作用下，金属晶粒中形成热电偶，冷热 端之间存在电位差，对金属表面产生电解作用，造成电化学腐蚀。 ( 4 ) 热作用理论：如果溃灭的空泡中含有相当数量的气体，则在空泡溃灭终了时气 体的温度必然很高，因为溃灭过程进行得很快，以致在短时间内热交换不足以使空泡内 的气体被周围水体冷却，因而在水的冲击作用下，这些热的气体温度很高( 有人估算达 数百度) ，这些热气体与物体表面接触时，将使物体表面局部加热到熔点，使局部强度 降低而破坏。 1 5 2 空蚀程度的影响因素 由于空蚀问题比较复杂，空蚀程度的影响因素较多，目前还没有一个比较成熟的定 论，现将有关研究结果总结如下： ( 1 ) 水质的影响 由于天然水中含有大量的微粒和未溶解的微气泡，极易构成细小的水气相间的分界 面，这就为空化提供了前提条件，所以汛期的水流、挟沙的水流和钻井泥浆较清水更容 易形成空化。 ( 2 ) 液体物性的影响 液体物性影响分为四个方面：( a ) 饱和蒸汽压强的影响。在水、苯等4 种液体中， 用铝试件所做的空蚀试验表明，当蒸汽压强相同时，空蚀量几乎相同；( b ) 表面张力 的影响。表面张力将加速空泡的压缩过程，当空泡溃灭时，液体的表面张力愈大，空泡 溃灭的压强也愈大，相应地其所造成的壁面材料的空蚀破坏也愈严重；( c ) 液体粘性 的影响。液体粘性对空泡的溃灭速度有明显的减慢作用，粘性愈大，空泡溃灭过程愈缓 慢，溃灭压强也愈小，因而试件的空蚀破坏也变轻：( d ) 液体密度及压缩性的影响。 当液体密度增加、压缩性减小时，试件的空蚀破坏有加重的趋势。试验得出，空蚀破坏 量与液体中的音速和密度的乘积间存在指数关系。其中，对钻井泥浆之类的液体而言， 表面张力影响不大；粘滞度对空蚀过程没有实质性影响：压缩性的影响可忽略不计。 ( 3 ) 试验时间的影响 在试验条件不变的情况下，随着试验时间的增加，试件的空蚀率并不是常数。空蚀 失质率随时间的变化可分为四个阶段：酝酿阶段、加速阶段、减弱阶段和稳定阶段。 大连理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 距离的影响 物体空蚀程度与距空泡中心的距离关系极大，只有那些在物体表面附近溃灭的空泡 才能对物体表面产生破坏。一般认为，距空泡中，t 3 为三倍空泡直径的距离内，空泡溃灭 压力可使表面破坏：超过此距离，空蚀破坏能力大大降低。 ( 5 ) 物体尺寸的影响 当绕流物体尺寸较大时，游移型空泡有充裕的时间膨胀，故溃灭时释放的能量也较 大，因而空蚀破坏也更严重。理论和实验均证明，在一定条件下，空蚀程度与绕流物体 线性尺寸的立方成正比。 ( 6 ) 物体表面粗糙度及硬度的影响 表面粗糙度对空化的发生有促进作用，表面光滑会推迟空化的发生并使空蚀减少； 材料表面硬度高时，抗空蚀能力也高。 ( 7 ) 水流含气量的影响 在一定范围内，水中含气量愈高，空蚀破坏的能力愈大；当水流中含气量大到一定 程度( 3 ) 后，含气将改变水流物性，使空蚀破坏减弱，甚至可以完全避免。这种现象 在水力学上称为“掺气减蚀”。 ( 8 ) 水流流速的影响 k n a p p 试验结果表明，材料的空蚀程度i 与水流流速v 间存在下列关系： i = a v “ ( 1 5 ) 式中，a 为试验常数；指数n 依试验条件的不同在一定范围内变化，在k n a p p 的试验中 n = 6 。 ( 9 ) 水中压强( 围压) 的影响 m o u s s o n 的研究表明，当下游压强一定时，空蚀程度随试件位置上游压强的增加而 增加；当上游压强固定时，空蚀程度随下游压强的增大而出现一最大值。对石油钻井而 言，井筒围压是影响空蚀破岩的一个重要因素。围压增大，一方面抑制空化的产生；另 一方面，空化一旦产生后，空泡溃灭压强更大，因而空蚀破坏能力比围压小时更强。 ( 1 0 ) 温度的影响 p l e s s e t 研究表明，水温低时，水中含气量高，对于空泡溃灭的缓冲作用加大，空泡 溃灭压强减小。温度上升后，由于气体含量减少，缓冲作用也减弱，空泡溃灭压强加大， 空蚀破坏加剧。但当水温较高时，饱和蒸汽压强也加大了，这又使空泡的溃灭压强有所 降低。 基于f l u e n t 软件的水力空化数值模拟 ( 1 1 ) 水流含沙量的影响 试验结果表明，黄铜在含沙量较低的水中，空蚀失重较清水中有所增加，但含沙量 进一步提高后，失重又星下降趋势；介质中含悬浮质泥沙时，泥沙颗粒将使物体表面研 磨光滑，从而抑制空蚀作用；含沙水流空蚀和磨蚀作用并存时，随含沙量增加，空蚀作 用较磨蚀作用减弱。对金属及混凝土等脆性材