（流体机械及工程专业论文）错列叶栅内部水动力学特性与汽液两相流动的研究.pdf

独创性声明 i i i ll li ii llu li l l iu l y 18 1013 3 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的 指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引 用的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：2 0 0 7 年6 月1 日 、- 涉 史 凉 分类号：卫鳗2 ，登 ! 堑 u d c 鱼2 鱼，5 兰2 江苏大学博士学位论文 密级：秘密 编号：1 0 2 9 9 b 0 4 0 2 1 0 错列叶栅内部水动力学特性与 汽液两相流动的研究 s t u d yo fh y d r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dg a s - - l i q u i d t w o - p h a s ef l o w i ni n n e rf l o wo ft a n d e mc a s c a d e 摘要 流体机械转轮内部的复杂汽液两相流动一直是工程界和学术界关注 的热点问题，汽泡动力学行为与空化机理也是当前的前沿课题。错列叶栅 的应用主要来自于军事领域，水泵和水轮机叶轮中的长短叶片也是一种错 列叶栅，在以水为主要介质的前提下研究其内部流体动力学行为及汽液两 相流动特征可以作为开展相应转轮内空化流动研究的工作基础。 本文首先对二维翼型周围的空化现象进行了理论分析，并迭代求解了 n a c a 4 4 1 2 翼型周围空化区形态。对于离心式转轮，在势流理论前提下对 其三维叶片沿叶高方向进行剖分后求解了各个剖面前缘附近的空化形态。 从基本流动参数分布特性出发来揭示复杂流动机理，在闭式循环水洞实验 台上对组合n a c a 4 4 1 2 错列叶栅和组合h y d r o f o i l9 1 5 错列叶栅进行了实 验研究。首次进行了错列叶栅表面压力的测量，得到了不同雷诺数( r e ) 、 不同攻角下的压力分布特性；从汽泡一流动一边壁三者的相互作用入手， 首次运用高速数码摄影技术观测了错列叶栅内的汽液两相流型；对错列叶 栅内部流动分析及汽液两相流型的定义有重要意义；首次描述了错列叶栅 内局部汽泡变形特征和尾缘处汽泡团的演化特征，论证了流动和边壁对汽 泡特征的影响机制。以上研究为错列叶栅内部流动和汽泡动力学行为研究 提供了参照，并进一步推动了复杂汽液两相流动中界面行为的研究。 论文的另一部分工作是对配置错列、不同弦长叶型的转轮内部流动进 行了空化形态预测。基于雷诺平均的n a v i e r s t o k e s 方程，将界面追踪模型 和本构方程相结合，建立了三维空化流动模型；以无空化流场为初场，进 行了空化计算，首次对配置错列叶片的转轮内部的空化型式进行了三维描 述，定位了空化发生的位置及形态特征。以上研究在前人的研究基础上进 一步丰富了对流体机械内部流动机理与空化流动特性的认识。 关键词：错列叶栅：水动力学特性；汽液两相流型；空化；实验研究 a bs t r a c t c o m p l e xg a s - - l i q u i dt w o - - p h a s ef l o w s i nr o t a r yi m p e l l e rh a v ea l w a y sb e e n f o c u s e d b ye n g i n e e r s a n ds c h o l a r s b u b b l e d y n a m i c s a n dc a v i t a t i o n m e c h a n i s ma r ek e p te x p e c t e df r o mt o d a y sv i e w t a n d e mc a s c a d ei so r i g i n a l l y a p p l i e di nm i l i t a r ya f f a i r sf i e l d sa n db l a d e sw i t hd i f f e r e n tl e n g t h si np u m pa n d t u r b i n ec a na l s ob ed e e m e da st a n d e mc a s c a d e r e s e a r c h e so fh y d r o d y n a m i c s c h a r a c t e r i s t i c si nt a n d e mc a s c a d ea n d g a s - - l i q u i dt w o - - p h a s e f l o w c h a r a c t e r i s t i c sw i l ls e r v ef o rt h eb a s eo fc a v i t a t i o nb e h a v i o ri nr e l e v a n t i m p e l l e r t h e o r e t i c a l a n a l y s i s o fc a v i t a t i o n p h e n o m e n a a r o u n dt w o d i m e n s i o n a l h y d r o f o i l si sc o n d u c t e df i r s t l ya n dc a v i t a t i o nz o n ep r o f i l ea r o u n dn a c a 4 412 h y d r o f o i li si t e r a t i v e l ys o l v e d c e n t r i f u g a lb l a d ei s c u t t e da l o n gi t sb l a d e h e i g h ta n ds e v e r a lf l o ws e c t i o n sa r eo b t a i n e d c a v i t a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sn e a r l e a d i n ge d g eo fe a c hf l o ws e c t i o na r ed e d u c e dw i t hp o t e n t i a lf l o wt h e o r y t o d i s c o v e r c o m p l e x f l o wm e c h a n i s mf r o mf u n d a m e n t a lf l o w p a r a m e t e r s d i s t r i b u t i o n s ，c l o s e dc i r c u l a rw a t e rt u n n e l i s a d o p t e d a sap l a t f o r mf o r e x p e r i m e n t a ls t u d yo fn a c a4 4 1 2t a n d e mc a s c a d ea n dh y d r o f o i l9 1 5t a n d e m c a s c a d e p r e s s u r ed i s t r i b u t i o n so nf o i l s s u r f a c e si nt a n d e mc a s c a d ea r e m e a s u r e da n dp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n su n d e rd i f f e r e n tr e y n o l d sn u m b e r ( r e ) a n da t t a c ka n g l e sa r ea c q u i r e df o rt h ef i r s tt i m e i nt e r m so fi n t e r a c t i o n s a m o n gb u b b l e s ，f l o w a n db o u n d a r y ，g a s l i q u i df l o w p a t t e r n s i nt a n d e m c a s c a d ea r eo b s e r v e dw i t hh i g hs p e e dp h o t o g r a p h yf o r t h ef i r s tt i m ea n d p r o v i d es i g n i f i c a n ti n f o r m a t i o nf o ra n a l y s i so fi n n e rf l o w so ft a n d e mc a s c a d e a n dd e f i n i t i o no fg a s l i q u i d t w o p h a s e f l o w p a t t e r n a sw e l l e v o l u t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fl o c a lv a r i a t i o no fb u b b l e sa n db u b b l ea g g l o m e r a t e sn e a rt h e t r a i l i n ge d g ea r ed e s c r i b e df o rt h ef i r s tt i m ea n di n f l u e n c eo ff l o wo nb u b b l e c h a r a c t e r i s t i c si sd e d u c e d t h e s er e s u l t sp r o v i d er e f e r e n c e sf o rf u r t h e rs t u d y o fi n n e rf l o wo fc a s c a d ea n db u b b l ed y n a m i c s ，a n dd r i v ef u r t h e rt h ei n t e r f a c e b e h a v i o rs t u d yi nc o m p l e xg a s l i q u i dt w o - p h a s ef l o w s a n o t h e rr e s e a r c hi sd e v o t e dt oc a v i t a t i o ni nr o t a r yi m p e l l e rw i t ht a n d e m c a s c a d ea n dd i f f e r e n tf o i lc h o r dl e n g t h s b a s e do nr e y n o l d sa v e r a g e d n a v i e r 。s t o k e se q u a t i o n ( s a n s ) ，t h r e e d i m e n s i o n a lc a v i t a t i o nm o d e li sb u i l t c o m b i n e dw i t hi n t e r f a c et r a c k i n gm o d e la n dc o n s t i t u t i v ee q u a t i o n ；w i t hf l o w f i e l do fn o n c a v i t a t i n gf l o wa st h ei n i t i a lf i e l d ，c a v i t a t i o ns i m u l a t i o ni s p e r f o r m e d t h r e e - d i m e n s i o n a lc a v i t a t i o nz o n ei sd e p i c t e da n d p o s i t i o na n d p r o f i l eo ft h ec a v i t a t i o na r ep r e s e n t e d t h e s er e s e a r c h e sf u r t h e re n r i c ht h e f l o wm e c h a n i s mi nf l u i dm a c h i n e r ya n dk n o w l e d g ea b o u tc a v i t a t i o n f l o w k e yw o r d s ：t a n d e m c a s c a d e ，h y d r o d y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c s ，g a s 1 i q u i d t w o 。p h a s ef l o wp a t t e r n ，c a v i t a t i o n ，e x p e r i m e n t a ls t u d y ， v 。一无穷远处来流的速度 仃一空化数；表面能 c r 一初生空化数 口一攻角 秒一液固接触角 p 一压强 p y 一饱和蒸汽压强 c 。一压力系数 够一势函数 s ，x ，少，z ，r ，孝一边界坐标 m 一点源层密度 口，6 一线段端点坐标 l t c 一雷诺数 f r 一弗劳德数 w e 一韦伯数 歹一断面甲均流速 d 一水力直径 u 一流体运动粘度 ) ( ，y 一翼型弦向和垂直于弦向错开距离 厂一体积力 = z 一应力张量 = ，一单位张量 = f 一粘性切应力张量 = = d 一变形应力张量 e 一流体内能 一耗散项 牙一热流矢量 l 一相问质量传递项 c 一分相体积分数 历。一界面源项 恐l 一界面平均曲率 s 一表面张力；应变率的量度 柳- 。r 一界面平均曲率的变化 一流体动力粘度 鸬一涡粘系数 谚，一克罗内克符号 七一湍动能 s 一耗散率 三一长度尺度 吒、c 、e l 、e 2 一无量纲系数 口、仃、仃一无量纲系数 巧，五一中间函数 一单位体积内的汽泡个数 r 一球形汽泡半径 风、啊一饱和焓 f ”、f 。一经验常数 ，科、，筇一与汽化和冷凝有关的源 目录 摘要 符号表 第一章引言1 1 1课题研究的目的和意义1 1 2国内外研究现状和进展3 1 3 论文研究的主要内容8 第二章转轮内部空化流动分析9 2 1 空化核理论9 2 2 影响空化发生的因素9 2 3 转轮内空化的类型1 3 2 4 转轮内部空化流动分析1 4 2 5 空化绕流对升力的影响2 l 2 6 离心叶片前缘空化区形态2 5 2 7小结2 8 第三章错列叶栅内部水动力学实验2 9 3 1 实验设备与仪器2 9 3 2 单翼型绕流实验3 0 3 3 n a c a4 4 1 2 错列叶栅绕流实验3 4 3 4 h y d r o f o i l9 1 5 错列叶栅绕流实验4 0 3 5小结4 5 第四章错列叶栅内部汽液两相流型实验4 6 4 1图像处理软件包简介4 7 4 2 n a c a4 4 1 2 错列叶栅实验结果4 8 4 3h y d r o f o i l9 1 5 错列叶栅实验结果5 4 4 4 局部汽泡瞬变特征6 5 4 5 小结7 0 第五章错列叶片间空化流动模拟7 2 5 1 基本流动模型7 2 5 2 两相流动模型7 4 5 3 湍流模型7 7 5 4 空化模型8 1 5 5 错列叶片间空化计算8 7 5 6 小结9 7 第六章结论0 000 0 9 8 参考文献1 0 0 致谢 在读博士期间的科研情况 江苏大学博士学位论文 第一章引言 1 1课题研究的目的和意义 从物理学的角度来看，空化是一种相变现象。而附加流动条件后，空 化又能引发极其复杂的流动特征。从1 9 世纪后期在螺旋桨叶片上发现空 化现象以来，关于空化发生及演化的理论与其它相关的研究都有了长足的 发展。在涉及叶轮机械的领域内，空化现象也普遍存在，严重的空化会影 响叶轮机械的正常运行过程( 如图1 1 所示) ，诱发空蚀( 水力机械中也称为 汽蚀1 、噪声、机组振动，严重时被迫停机，因而造成巨大的经济损失。在 泵和水轮机的设计和运行中，通常采用改进设计、通气等方法以减轻汽蚀 的危害，但尚未形成指导性的设计思路。长期以来，空化现象一直被认为 是一个难题，空化机理到目前为止尚未研究得很清楚，随着国民经济的发 展，与空化相关的研究显得极为迫切。而科学研究在不断深入，空化现象 也在向如生物、化工等多学科领域和前沿方向延伸，对空化本质特征的认 识显得愈加重要。 由于复杂的叶片型式和旋转状态下对流动测量的同步性要求很高，旋 转叶轮内部的流动测量一直是叶轮机械领域内的一个难点。对叶轮内非定 常空化流动的研究也多集中在数值模拟方面，与模拟结果对应的实验数据 少，模型的准确程度、算法的有效性和计算的精度无法论证。将空化模拟 的结果与整个转轮的运转特性相关联更加困难。 本研究旨在从叶栅内部流动入手对转轮内部流动特性进行预测；将汽 泡动力学行为作为空化流动研究的基础。文中改变叶栅的几何特征，组合 不同型式的错列叶栅；进而研究错列叶栅内的流动特征和汽泡在错列叶栅 内的流体动力学行为；然后预测转轮内的三维空化特性。研究意义在于： ( 1 ) 错列叶栅内的复杂流动现象是叶轮机械领域内研究的难点，涉及多 种因素，尤其是边界特征和出入流参数对整个叶栅内部流动结构的影响与 关联。直列叶栅中叶型的周期性排列使得在均匀来流条件下，单个叶型周 围的流动具有相似性；而错列叶栅内不同叶型周围的流动现象可能有很大 江苏大学博士学位论文 区别，从而对不同叶型周围的近壁区流动特征产生影响，出现的边界层分 离、通道流等复杂流动现象也提出了流体动力学研究的新内容。 ( 2 ) 以前对汽泡动力学行为的研究集中在静态或无界流场中，复杂边界 对汽泡演化特征的影响无论从实验的角度还是数值模拟的角度都是一个 难题，尤其是其中涉及的瞬变、小尺度特征更增加了研究的难度。 ( 3 ) 空化是一个典型的三维、两相、伴有相变和传热的问题，描述空化 的模型难以定义。目前对叶栅内部空化的研究局限于数值模拟，开展相应 的试验有一定的难度。光学测量方面，由于近些年普遍采用的p i v ( p a r t i c l e i m a g ev e l o c i m e t r y ) 技术需要摄像机和片光源的垂直布置，无法测量被叶栅 遮挡的流动区域。同时，捕捉空化的瞬态过程( 如图1 2 所示【1 】) 需要采用高 频采集仪器和相应的数据处理方法，普通光学测量亦无法处理空化的连续 演化过程。 ( 4 ) 无论从理论还是模拟的角度来看，转轮内空化区的初始位置和形状 都难以确定，空化区在主流行进过程中的演化特征也难以描述；空化对周 围流动的影响以及空化与叶轮运转特性之间的关联目前尚无描述。如何将 转轮内部空化区的稳定性与周围流动结构相关联，将空化区稳定性与转轮 性能预测相结合具有很高的学术价值和应用价值。 f i 1 r r 丽1 矗；葛再f 百石吨f 咖 万r l f l f l 1 百r 撇j 厶一艟漉聚栅* 搬 1 2 n - 1 0 6 ) o 情心牟fg b l ；舡1 2 争蝴佃t l ) ，蕞定 置：争l 轴甜，h ， 图1 1 典型的水泵外特性曲线图( 虚线表示由于汽蚀导致扬程骤降) 江苏大学博士学位论文 图1 2n a c a 4 4 1 2 水翼吸力面上的空化形态( ，。= 1 3 7 m s ，口一0 。，口- - - - - 0 3 ) 1 2国内外研究现状和进展 空化发生时，产生的蒸汽泡随主流迁移至压强较高的区域时，会突然 溃灭。在固体壁面附近蒸汽泡的溃灭会产生一股正对壁面的高速液体射 流，这股射流冲击壁面的瞬时压强高达5 0 0 个大气压【2 l 。p l e s s e t c h a p m a n 认为，如果在空化产生的汽泡附近有刚性壁面存在，造成汽泡周围流场的 不对称性，从而使汽泡形状发生畸变，这种畸变使汽泡在溃灭的初期形成 一股微射流，这种微射流冲击到固体壁面的速度可达1 3 0 1 7 0 m s 。 目前发现的在叶轮机械内部流场中出现的空化一般为游移型、旋涡型 和固定型空化。如目前发现的混流式水轮机转轮出现的空化为固定型空 化，常采用通气的方法预防或减轻空化的程度，而尾水管内的空化为旋涡 型空化，严重时过流部件遭到破坏、甚至被迫停机。 相变是空化的主要特征之一，而空化流动又属于强非稳态的汽液两相 流动，在流体机械领域内对空化现象的研究一般从理论分析、实验研究和 数值模拟三个方面进行；而研究的尺度又跨过了微观和宏观两大层面；从 工程的角度又可将空化的研究分为机理性研究和应用性研究。 世界著名的空化研究专家、加州理工大学的c h r i s t o p h e re b r e n n e n 教 授在2 0 0 6 年的“空化理论及其在涡轮机械和医学领域内的应用国际论 坛上作特邀报告，他指出：“我们应该对空化本身及其引起的随机流动特 征做更细致的研究，一个很重要的手段是在实验设备和仪器方面下功夫， 江苏大学博士学位论文 实现这些随机量的测量”【3 1 。由此看出，空化研究的难点之一就在于实验 过程中空化随机特征的测量与分析，而空化的控制则是目前最高层次的挑 战之一。 在理论分析方面，突破性的成果鲜见报道，但有三项工作值得注意。 e m i lv p a r y s h e v 4 】分析了高速水流中的理论模型，发展了非对称空化 区内的可压缩气体模型、空化稳定性和振荡的线性理论，该研究在理论上 验证并修正了空化回射流模型。实际上该理论可进行改进，使之适用于外 加力场作用下的空化区稳定性求解。c h r i s t o p h e re b r e n n e n 5 】最近又从理论 分析的角度揭示了可能存在于涡轮泵吸入室和诱导轮之间、叶轮和涡室之 间的耦合效应，由于此耦合效应的存在，极有可能导致叶轮流道间的空化 参数产生非线性振荡。这也预示着旋转状态下空化研究的难度。h i r o n o r i h o r i g u c h i 等【6 】基于势流理论，进行了平板叶栅内空化的线性稳定性分析， 重点考虑了叶片数对空化稳定性的影响，部分分析结果与实验结果相符 合。但研究中没有考虑流体的粘性，且忽略了叶片曲率产生的离心力对空 化型式的影响。 在数值模拟方面，由于近年来计算技术的发展，诸多学者都进行了有 益的尝试，比较有代表性的成果在以下几个方面。s t e f f e nj s c h m i d t 等【7 】 模拟了基于r i e m a n n 问题的高速水流中的相变现象，求解可压缩无粘欧拉 方程时加入了能量守恒关系式，在水、水蒸汽和饱和两相混合物各自的状 态方程基础上建立了具有相变的液流状态方程，研究中指出了普通 r i e m a n n 求解器需要精细网格这一关键要素，所建立的模型可求解1 1 0 0 m s 流速范围、0 1 0 0 0 b a r 压强范围内的流动。 a s h o kk s i n g h a l 等【8 】建立了“f u l lc a v i t a t i o nm o d e l ”，值得一提的是， 这一模型已被用于商用软件c f d a c e + 中。该模型重点考虑了三个因素： 汽泡的形成和运动；压力和速度的湍流脉动；融于主流中的非液化汽的数 量。相变率的表达式基于汽泡动力学中常用的r a y l e i g h p l e s s e t 方程的简化 形式。相关的比率值取决于局部流动物理量( 速度、压力和湍流度) 和流体 本身的物理性质( 饱和压强，密度和表面张力) 的综合影响。该模型中涉及 的两个取固定值的有效经验常数由实验和计算确定。该研究中通过水翼周 一4 一 江苏大学博士学位论文 围的空化计算、淹没圆柱体周围的空化计算等实例对这一模型进行了验 证，计算结果与实验结果相吻合。该模型的不足之处在于它的等温假设， 因为汽化潜热对流体温度的影响在空化发生过程中常常是不可忽视的因 素。 h i r o n o r ih o r i g u c h i 等【9 】对诱导轮内的空化进行了准三元分析。文中基 于无粘、定常假设，对子午面和旋转对称的叶片问流面进行了分析。对旋 成流面的分析采用基于封闭空化模型的奇点法。该研究通过对螺旋诱导轮 内的空化进行分析，重点讨论了三维效应对空化的影响。该模型的不足之 处在于它仅适用于回流和叶端间隙泄漏不明显的场合。 y i a n n i sv e n t i k o s 等【1 0 】开发了一种可以计算定常和非定常空化的计算 方法，计算方法中综合考虑了单流体、变物性n a v i e r s t o k e s e n t h a l p y 方程 和汽液混合状态方程。这种计算方法的突出特点就是可以求得明显的相变 界面，而且对于定常流动，计算结果与现有实验结果很好地吻合，对于非 定常计算，还发现了空化与粘性效应的相互作用。该研究是针对二维、中 低雷诺数的情况。 0 c o u t i e r d e l g o s h a 等在2 0 0 2 年和2 0 0 5 年分别发表了关于空化数值模 拟的研究论文【1 1 1 【1 2 1 ，其研究工作都是基于商用软件f i n e t u r b o 和单流体 模型，探讨了诱导轮叶片前缘形状对空化的影响和空化数值算法的稳定 性；从二维模拟延伸到三维模型的建立，这些成果都为深入的空化数值模 拟提供了参考。 y u k ai g a 等【”】用“局部各向同性的可压缩汽液两相模型”计算了错列 平板叶栅间的非定常空化发生与发展，定义了不同空化数下的空化发生条 件，采用周期性边界条件模拟了旋转机械中的空化，同时在模拟中通过变 换单个平板叶片尺度对不同的空化程度进行了比较。在国内，曹树良等 【1 4 】【”】在转轮内三维数值计算的基础上对转轮内的空化进行了分析。陈庆光 等【1 6 l 计算了水轮机蜗壳入口至尾水管出口区域内的空化流动，预测了空化 发生的位置和程度。y a n gm i n g u a n 等【1 7 】从单相流体模型入手模拟了低比 转速离心泵叶轮进口处的空化，得出了空化区的二维形态特征及演化过 程。 一5 一 江苏大学博士学位论文 t t b a z h i r o v 等1 1 8 】【1 9 】从微观尺度层面研究了亚稳态液体中空化的形 成，基于分子动力学方法进行了空化的数值模拟。从理论的角度来看，微 观的研究更能体现物理现象的本质，但涉及到的一些条件如界面处表面张 力的确定、亚稳态液体的状态方程等也增加了研究结果的不确定度。同时， 研究结果直接应用于工程实际尚有一段距离。 实验研究的开展集中在世界上几个著名的研究机构内。x a v i e re s c a l e r 等【2 0 】在高速循环空化实验台上进行了k a p l a n 和f r a n c i s 水轮机内的空化实 验，综合利用高精度振动传感器、光电测速探针、压电传感器测量了空化 发生后诱发的空化区周围流动参数的变化，并进行了信号处理与频谱分 析。该研究着重对叶片前缘空化、出口泡状空化及尾水管内的涡旋空化进 行观测，在总结前人工作的基础上，强调了高精度传感器、测点布置和信 号处理技术在旋转叶轮机械内空化实验研究中的重要性。s a r r a fc h r i s t o p h e 等1 2 1 】研究了n a c a 0 0 1 5 翼型吸力面上湍流边界层受固定空化区的影响， 用l d v 测量了翼型周围流速分布，精确定位了边界层内的转捩点和分离 点，研究发现近壁区切向流速分量由于空化区的存在而增大，后缘附近的 边界层分离由于空化区的存在而推迟。该研究将空化的研究与边界层稳定 性理论相结合，在空化对湍流发生的影响机理方面做了探讨。 j e n sf r i e d r i c h s 等【2 2 】对低比速离心泵进行了空化实验研究，t 研究中采 用了单圆弧叶片和双圆弧叶片分别进行了实验，图像采集使用了高速数码 摄像机( 每秒4 0 ，0 0 0 帧的采样频率) 。实验中发现，空化的发生对流道产生 阻塞，而相邻流道的流量系数因此增大，从而液流角减小。同时，空化区 的存在会产生指向叶片表面的流动速度分量，这也使相邻叶片的液流角减 小。因此，与发生空化的叶片相邻的叶片的空化特征不明显。另外，该研 究还对叶片吸力面和轮毂处进行压力信号采集，并对信号作了快速傅立叶 变换( f f t ) ，分析了空化演化的频谱特征。 0 c o u t i e r d e l g o s h a 等【2 3 】用包含频闪仪和高速摄像机的光学装置对装 有双圆弧圆柱叶片的离心泵进行了非定常空化现象的实验研究，实验中通 过调整装置空化余量造成了不同程度的空化。同时，文中基于商用软件 f i n e t u r b o t m 对泵内的三维空化现象进行了计算，将计算结果与实验 一6 一 江苏大学博士学位论文 结果进行了比较。 a u s o n ip h i l i p p e 等【2 4 】【2 5 】实验研究了截短后缘而成为钝体的n a c a 0 0 0 9 水翼尾流中的k a r m a n 涡街形态及演化特征，测量了水翼由于涡脱落 产生的振动，着重研究了空化对涡脱落的影响及空化与流动结构之间关 系。结合p i v 测量结果和流动特征显示，揭示了空化对涡脱落频率，尾流 中的涡街形态的影响，发现了二维水翼周围空化发生时引发的展向不稳定 性( 即三维效应1 。王国玉等【2 6 】【2 7 1 对水翼周围的空化形态进行了测量，借助 l d v 和高速摄像技术，揭示了空化状态下翼型周围的重要流动结构特征。 综合目前国内外的研究现状可以看出，流体机械内部的空化问题始终 是一个难度大、却迫切需要理论指导的研究课题，各国的学者都在不断尝 试新的思路、新的方法，同时也积累了一些研究经验。本文认为：流体机 械内部空化现象涉及多种因素及多种尺度，机理性的研究极其关键，以下 三个方面可作为本研究向纵深方向发展的切入点：( 1 ) 从叶栅内部流动入 手，改变原来的周期性排列方式，组合成错列叶栅，从而对错列叶栅内低 汽相体积分数条件下的汽液两相流动进行研究f 额线倾斜后流场中局部产 生强速度剪切及压强梯度，且原有的周期性被消除1 ，主要是针对不同尺度 汽泡流型及汽泡区的相互作用进行研究，从而为完整描述空化区的演化特 征提供一定的理论依据；( 2 ) 空化区的三维形态特征的捕捉与描述，意在阐 明空化与流动结构之间的相互作用；( 3 ) 旋转状态下三维粘性非定常空化流 动的计算，主要侧重湍流模型的修正及空化与周围流动结构之间的相互作 用。在这三个方面的研究旨在进一步探索转轮内空化流的特征、空化与流 动结构之间的关系及空化引起空蚀的机制；促进空化这一物理现象本质的 最终揭示。从学术的角度来看，本文提出的错列叶栅内单汽泡及汽泡群运 动特征的分析与实验、转轮内的空化特征及引发的流动结构的变化、全三 维空化流动的有效模型建立及数值模拟均为目前报道较少的研究内容。本 研究的科学性也在于拟综合运用理论分析( 结合修正的r a y l e i g h p l e s s e t 方 程、基于势流理论的空化稳定性结论等) 、先进测量手段( 基于现有的高速 数码摄像技术、综合测量手段及图像处理技术) 和数值模拟方法( 结合对复 杂多相流动模型的认识及数值计算经验1 ；总结前人在相关研究中获得的成 江苏大学博士学位论文 果，充分利用交叉学科知识和已有的实验条件，从切实可行的实验和理论 分析入手，逐步深入，并辅以数值模拟的方法对复杂空化流动进行数值预 1 3论文研究的主要内容 的第二章对空化发生的静态和动态因素进行了阐述；在总结前人 础上，将叶轮内部的空化类型进行了归纳；着重对转轮内部空化 了分析，并求解了单个n a c a 4 4 1 2 翼型前缘附近的空化轮廓和离 同叶高处的空化轮廓。论文的第三章为错列叶栅内的水动力学行 得出了组合4 4 1 2 错列叶栅和组合9 1 5 错列叶栅中翼型表面压力 ，分析了错列叶栅内固体壁面对流场的影响；论文的第四章为借 码摄像技术进行的组合4 4 1 2 错列叶栅和组合9 1 5 错列叶栅内的 流型实验研究；包括汽液两相流型描述、分析以及汽泡的瞬态演 析；论文的第五章为配置错列叶片的转轮内的空化特征分析与模 三维空化模型的建立和对转轮内三维空化流动的分析；论文的第 了全文的研究工作；并对下一步工作进行了展望。 一8 一 江苏大学博士学位论文 第二章转轮内部空化流动分析 一般认为，空化是由单个汽泡发展而成。影响空化的因素很多，如介 质本身的温度、表面张力、气含率、杂质含量等，本研究中将这些附属于 介质本身的因素统一作为影响空化的静态因素；而将诸如边界型式、固壁 粗糙度、来流流速、来流湍流度等这些与流动关联在一起的参数作为动态 因素。研究中侧重动态因素，且不考虑微观尺度的特征及相变机理。同时， 受研究领域和研究条件的约束，也不考虑热力学温度变化对汽泡及空化的 影响。 2 1空化核理论 对于纯水，实验测量到可承受1 6 0 个大气压的拉力，但自然界中的水 却不能承受拉力，只能承受很大的压力。当液体中的压强达到汽化压强左 右，液体就被拉裂了，即空化初生。常温下液体的汽化压强是很低的，远 小于液体的抗拉强度。例如水中常存在很多不溶解于水的小汽泡，这些小 汽泡被称为“空化核 。空化核的尺寸很小，通常其直径约为1 0 一1 0 一c m 。 人的肉眼一般看不见。空化核的大小可由超声波测量法和静力平衡法得出 【2 8 1 。空化核在水中的存在模式尚无统一的认识，但它们是客观存在的，了 解它们在水中的分布情况对于空化研究是十分重要的。测量空化核含量的 方法通常有两种：直接测量法和溶解氧含量法【2 9 1 。属于前者的、目前普遍 采用的是v a ns l y k e 法，属于后者的有w i n k l e r 化学法，这种方法历史悠 久，但操作过于复杂。另外，空化核尺度虽小，却可以影响空化实验的比 尺效应1 3 0 。 2 2影响空化发生的因素 2 2 1 固体壁面对空化发生的影晌 从理论物理可知，在液体的任一分界面上，均具有表面能或自由能， 江苏大学博士学位论文 这种表面能具有将液体的内部分子曳引到表面的做功能力，而液体的分子 内聚力则阻碍这种曳引，液体的表面张力便是这样的表面能【3 1 1 。 脚锌篱2 器表面张力系数 ( 2 - 1 ) 表面张力系数是单位长度的作用力，表面能是单位面积的做功能力， 从热力学观点来看，表面能也是单位面积的热力势。 固体 2 图2 1 液体和固体交界面处的汽泡 现考察液体与固体交界面上出现汽泡的情形( 如图2 1 所示) 。原来液 体1 与固体2 接触，具有表面能q ：。产生气体0 时变为液一气、气一固接 触，具有新的表面能q o 及o r 加。因此，形成汽泡边界时，要克服原来的表 面能吼，其分离功为： a c t 一吼o + d 2 0 q 2 ( 2 - 2 ) 由图2 1 ，根据平衡关系可得： o r 一o 1 2 一o 1 0c o s 8 = 0 ( 2 - 3 ) 代入式( 2 2 ) 可得： 仃一o i o ( 1 + c o s 0 ) ( 2 - 4 ) 液体与固体间的接触角目的大小，取决于液体分子间的内聚力与液体 和固体间的附着力的相对大小。考虑固体边界的影响后，液体的抗拉强度 江苏大学博士学位论文 更是大幅度减小，因而更易发生空化。对于完全不湿润的固体表面， a o - = 0 ，其物理意义是液体与固体间毫无附着力，或不需要做功，彼此即 能分离，空化极易发生。 2 2 2 脉动压强对空化发生的影响 在湍流中，各点的动压强、流速等流动要素均具有脉动的特征。对于 高速水流，这种脉动特性更为强烈，脉动压强不可忽略。需特别指出的是， 脉动压强有时可能超过时均压强。脉动压强的负值使瞬时压强值大为降 低，从而增大了发生空化的可能性。 脉动压强的作用时间极短，一般为3 0 1 0 0 m s 。n e p p i e r 认为在蒸汽空 化的过程中，空化核长大的初始状态与压强作用的持续性影响很小，压强 持续的时间仅影响汽泡长大的最大尺寸，而汽泡的最大尺寸与空化核的初 始尺寸及气体含量无关。d a i l y 和j o h n s o n 在矩形管内进行的流动试验也表 明空化首先在脉动压强下降到最低点处发生【3 2 】【3 3 1 。 2 2 3 空化数 一般以压强和速度为基础来建立标志空化特性的参数。 定义无量纲压强系数： c ：旦二旦竺 。p ：2 式中：p 为考察点的压强； 压强最小处的压强系数为最小压强系数，即： r一旦堕二翌竺 。 ：2 式中：以为未受被绕流物体扰动的参考压强； y 。为未受被绕流物体扰动的参考流速； c 。的值可通过实验或数值模拟来估算。 ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) 无量纲空化数被定义为： 盯= 噼 ( 2 7 ) ：2 、7 仇为饱和蒸汽压强，通常认为空化区内充满蒸汽，泡内压强即为饱和 江苏大学博士学位论文 蒸汽压强。 空化数表征了液流中的压强与液体汽化压强之间的差，因而也代表着 发生空化的可能性。 当仃减少至某一临界值时，空化会发生，该临界值被称为初生空化数， 用盯。来表示。 在没有分离流动的情况下，被绕流体附近的空化应首先发生在压强最 低点，且其值p m i n 应等于p y ，l i t h e ： 铲锗( 2 - 8 ) 故：一一c ( 2 - 9 ) 对于分离流动，空化不在边界上首先发生，而先在分离区涡心的低压 点发生，此时式( 2 9 ) 便不适用，一般来讲： 一c ( 2 - 1 0 ) 分离程度越大，和一c 2 1 盲q 的差值也越大。 不同空化状态的空化数仃不同，几一肌的值越大，仃值越大，水流越 不易发生空化；比越大，盯值越小，水流越容易发生空化。但用空化数来 表示空化状态并不完善，因为空化数并未包括其它影响空化的因素在内。 在空化试验中，在原型流动和模型流动的r e 、f r 、w e 等相似准则数相等 的前提下，若两个流动的空化数相等时，则认为其空化特征也一样。这样 做只是在理论上满足了力的对比关系，如果两个水流中的比尺改变时，影 响空化的其它因素所表现的程度不同，表现出明显的“比尺效应 。 事实上式( 2 1 0 ) 不能严格成立，初生空化数的确定受多种因素的影响， 准确的定义初生空化数是个难题，因为： ( 1 ) 不同的液体，其承受拉力的能力不同，压强低于汽化压强一定值时， 空化核才成长为可观测到的汽泡，而该值随液体不同而不同。临界拉力是 液体组分、尤其是空化核尺寸和空化核特性的函数。 ( 2 ) 空化核成长为可观测到的汽泡需要一定的停滞时间。 ( 3 ) 测量或计算得到的最小压力系数中包含时均量，而许多湍流流动 中，涡旋中心区的时均压强等于汽化压强时，瞬时压强已经低于汽化压强， 该中心区的空化核已经具备了成长的条件。 江苏大学博士学位论文 2 3 转轮内空化的类型 按空化的发展阶段可将空化分为【3 4 l ： ( 1 ) 初生空化，即随压强降低，水流中的某一低压区开始出现不连续的 阵发性空泡； ( 2 ) 附体空化，即当压强持续降低，低压区范围扩大，空泡持续存在， 成为贴附在被绕流物体上的发展的空化； ( 3 ) 超空化，即低压区的压强进一步降低时，低压区的范围进一步扩大， 空泡区长度已经超过了被绕流物体的范围，形成稳定的尾流。 按空化的形态可将空化分为【3 5 】： ( 1 ) 汽泡式空化。空化区由无数独立的互不毗连的小汽泡组成，此时空 化区为水、汽掺混体。每一个独立的汽泡随着水流运动和压力场的变化而 经历初生、长大、缩小和溃灭。这类空化亦称为迁移型空化。 ( 2 ) 空腔式空化。空化区为毗连的大气囊，中间充满蒸汽，或有少量气 体。空腔式空化是在形成汽泡式空化后，随压强继续降低，汽泡聚集，空 泡区扩大的结果。空腔的位置、大小和形状在肉眼看起来大致固定不变， 故也称为固定型空化。空腔的存在迫使液体脱离边界，空腔与液体的分界 面附近又常夹杂着大量的迁移型空化。 ( 3 ) 旋涡带空化。空化发生在旋涡中心的低压区，随涡结构型式不同而 形成各种形状的条带1 3 6 1 。 转轮内的空化也可以分为： ( 1 ) 游移型空化 在水中形成的单个的随水流一起运动的不稳定的空泡，在它的发展过 程中，会经历若干次扩大、收缩的过程，最后溃灭消失。这种游移的、不 稳