直角凸壁面附近非对称位置的空泡动力学行为实验研究

空化破坏现象在核电厂中广泛存在。为了更深入地揭示空化破坏的机理,本文借助高速摄影实验系统,研究了直角凸壁面附近非对称位置空泡的动力学行为。具体分析了空泡的轮廓变形,形心的移动距离和方向,以及空泡射流的方向随着空泡与壁面相对位置d、h的变化规律。本文主要结论如下:(1)空泡的变形与空泡和固体壁面的相对位置d、h有关。随着空泡与右壁面的距离d的增大,空泡的非对称性越来越弱。随着空泡与上壁面的距离h的增大,在整个空泡的动力学过程中空泡的非球形特征逐渐减弱。(2)在空泡的溃灭和再生长过程中,空泡形心会持续地向左下方移动,且形心向左移动的距离随着d和h的增大而明显减小。(3)当空泡与上壁面的距离h适当时,会产生明显的斜向左下方的射流现象,且射流方向角θ随着d的增大而增大。

内孔式旋转空化器参数对空化效果的影响

通过控制变量法使用Fluent软件对内孔式旋转空化器进行数值模拟,得到结构参数(盲孔的孔径、孔深,单排盲孔个数)和操作参数(转速、入口压力)对空化效果的影响规律:转子盲孔孔径、孔深、单排盲孔个数增加,转速(2000~3000 r/min)增加,则盲孔中气体体积增加;入口压力(1 MPa~4 MPa)增加,则盲孔中气体体积减小。实验中以纯水水样空化过程中温升和电导率的变化为空化效果检验标准,在3000~9000 r/min随着转速的增加,温升和电导率显著增加,间接验证数值模拟的结果。本文为内孔式旋转空化器的结构参数优化提供参考。

柱形空泡动力学研究综述

空化现象是核工程领域的重要研究内容,而柱形空泡动力学是其前沿方向。本文从理论和实验两个方面对柱形空泡的研究进展进行了综述。首先,本文从流体力学基本方程出发,对三种典型形式的柱形空泡动力学方程进行了详细的推导和系统的整理。然后,对这三种柱形泡动力学方程进行了比较,指出了它们在方程的形式和适用范围上的差别。此外,文章分析了方程中一些重要参数对方程预测结果的影响。实验研究方面,本文展示了柱形空泡典型的高速摄影图片以及空泡半径随时间的变化。通过将实验结果与理论结果进行对比,发现二者具有良好的一致性。

超声场中气泡运动规律及其与枝晶相互作用机制

采用有限元模拟和高速摄影实验研究了液体中单个气泡在超声作用下的振荡及溃灭规律,并揭示了气泡空化与邻近枝晶间的相互作用机制.结果表明,增大驱动声压促使气泡振荡模式由体积振荡转变为分裂振荡,从而显著地提升液体中的瞬态压强和流动速度.当气泡下方存在一个枝晶时,随着驱动声压的增加,二次分枝的断裂模式发生从高周疲劳断裂向低周疲劳断裂再到过载断裂的转变,且断裂周期呈幂函数下降趋势.气泡距离枝晶越近,压缩状态下气泡的纵向半径逐渐大于横向半径,且压缩时间增加,最小气泡体积降低.另外,气泡与枝晶距离的减小导致气泡溃灭产生的最大压强显著降低,而最大流速呈现先增大后降低的趋势.若二次分枝的根部半径减小或长度增加,二次分枝疲劳断裂周期数显著减小,从而更容易诱发枝晶碎断.理论计算的气泡膨胀收缩和二次分枝断裂过程与实验结果基本一致,表明本文构建的模型能够准确预测超声场中的气泡运动及其与枝晶相互作用过程.

复合夹芯导流罩流激噪声数值模拟与控制研究

航行过程中,潜艇壁面与周围流场相互作用而产生的流激噪声会对透声窗结构产生严重危害,因此,有效控制流激噪声具有非常重要的意义。首先采用统计能量法对潜艇首部模型进行流激噪声预报,根据不同航速以及距湍流层前端距离进行分析,得出不同材料对流激噪声的影响规律;其次,针对导流罩低噪声和高透声的要求提出一种3层复合夹芯结构设计,通过选用阻尼材料和设计4种铺层方案对比分析。结果表明,铺层方案为碳纤维/阻尼材料2/钛合金,铺层厚度为10 mm/10 mm/3.55 mm是降噪性能好、透声性强的最优方案,研究成果可为实际应用提供参考。

孔板空化器参数数值模拟与实验

为了研究孔板空化器的孔数和孔板厚度对水力空化效果的影响,采用数值模拟的方法,通过压力、速度、气含率云图确定了径向监测面;借助云图观察流场内气核的析出位置及压力与气含率的分布情况,并以气相质量流率作为评判空化强度的标准定量分析孔板厚度、孔数在不同压差下对孔板空化特性的影响。实验以纯水作为介质,从水的电导率和温升的角度研究孔板空化特性,验证数值模拟的规律,在0.2~1 MPa压差下的空化效果与数值模拟相吻合,为同类空化器的设计及应用提供依据。

孔板空化器纯水空化效应实验

为了研究孔板结构参数对空化效应的影响,以孔板式空化器为例,依据气泡动力学理论,建立孔板内气液两相动态空化模型,推导出孔板通道及出水口流量方程。采用实验的方法,在初始操作参数条件下,固定出口压力为0 MPa,调节入口压力,在入口压力与出口压力压差值0.2 MPa~1 MPa范围内,以0.1 MPa等差值递增共实验九次,改变孔板厚度、孔数、孔型结构,以水的物化性质电导率为表征手段,以溶解氧作为辅证,研究孔板结构参数对空化效应的影响。结果表明:随着入口压力的升高,液体的空化强度越强,且当入口压力达到一定值时,空化强度趋于稳定;改变孔板厚度,压差在0.2 MPa~0.9 MPa内,8 mm孔板的电导率达到140.54μS/cm,空化效果最佳,压差在0.9 MPa~1 MPa内,10 mm孔板的电导率达到142.47μS/cm,空化效果最佳;改变孔板孔数,压差在0.2 MPa~0.6 MPa内,五孔孔板的电导率达到136.51μS/cm,空化效果最佳,压差在0.6 MPa~1 MPa内,三孔孔板的电导率达到141.61μS/cm,空化效果最佳;改变孔型结构,压差在0.2 MPa~1 MPa内,孔型对孔板空化强度的影响微弱,整体圆形空化效果最好,方形次之,三角形最差。

声场驱动下泡壁运动方程的理论分析

声场驱动条件下的泡壁运动方程一直是泡动力学领域的重要研究内容。当泡壁运动方程用于预测高马赫数下的气泡振荡特性时,为满足计算精度的需求,应该充分考虑液体的可压缩性。在声场驱动条件下,本文数值研究了含二阶马赫数修正的泡壁运动方程(简称“二阶方程”)在不同马赫数条件下对气泡振荡特性重要物理量的预测。围绕声场振幅和声场频率两个物理参数,将二阶方程与一阶马赫数修正的泡壁运动方程(简称“一阶方程”)的预测结果进行深入地对比分析。研究发现,在高马赫数条件下,一阶方程和二阶方程预测的气泡半径、泡壁速度和泡壁加速度均存在较大的差异,导致二者所预测的声耗散功率和热耗散功率也存在较为明显的差异。本研究为声场驱动下的泡动力学领域提供了理论模型的选择依据。

凹坑缺陷对厚孔板喉部空化流动特性影响研究

管道系统中的各类阀门、孔板等节流件,随系统工作前后压差的增大会出现水力空化现象,对系统的工作性能和安全造成严重影响。通过数值模拟探究了厚孔板空化的临界压比以及凹坑对孔板空化临界压比的影响,并进一步研究了凹坑与空化耦合作用下的空化流动特性,阐明了凹坑作用下的空泡溃灭机理。结果表明,只有当孔板出口压力与入口压力之比小于0.5时,才会发生空化。凹坑有促进空化气泡初生-发展-溃灭演变行为的作用,但压比在空化临界压比附近时,孔板各点压力峰值出现在无凹坑孔板以及存在凹坑缺陷孔板的无凹坑一侧。在液体管道和阀门的安全设计中,应考虑空化临界压比下气蚀的风险以及凹坑缺陷受空化剥蚀导致管壁减薄的危害。

基于CYCBD和CPAD的螺旋桨空化噪声特征提取方法

为实现对螺旋桨空化起始的有效检测,设计了一种基于最大二阶循环平稳盲解卷积(maximum second-order cyclic stationary blind deconvolution,CYCBD)和空化脉冲检测器(cavitation pulse activity detector,CPAD)的螺旋桨空化特征提取方法。首先,利用CYCBD方法对螺旋桨噪声信号进行预处理,提取信号中的周期性脉冲成分;然后,构建基于局部能量密度检测和Hilbert边际谱质心(Hilbert marginal spectral centroid,HMSC)判别串联结构的检测器,提取信号中的高频脉冲;最后,根据一定旋转周期内的高频脉冲数目,对空化状态进行区分。试验结果表明:所提出的方法可有效提取螺旋桨空化噪声特征,为螺旋桨空化状态检测提供依据。

气泡软化效应下的非线性声场

为研究气泡的存在对介质中非线性声场的影响,本文利用波动方程和Rayleigh-Plesset方程建立的有限差分和有限体积模型,分别求解了在单频波和双频波激励下含气泡水介质中任意时刻的声压分布。计算表明:在非线性条件下,沿声波传播方向长度为半波长的介质内存在共振频移,即介质发生了软化;含气泡水介质的非线性共振频移与振源的振幅有关,在一定范围内,频移随着振幅的增大而增大;并证明了介质中的软化是由气泡平均体积增大而引起的。本研究为提高参量阵声发射和接收效率等提供了一种思路。

非球形气泡的超声定量检测

超声是检测不透明液体中气泡的有效方法,声散射模型是超声反演技术的核心.经典气泡散射模型通常是基于球形假设及ka≤1(a为气泡半径,k为入射波的波数),然而实际应用中这些假设并不总能得到满足.本研究针对非球形气泡及ka偏离假设情况,提出一种超声反演定量方案.建立不受ka约束的球形气泡级数背散射f模型,将其与经典Medwin(ka<<1)和Anderson(ka≈1)散射f模型进行对比,发现ka偏离引发的散射截面效应仅体现在散射高阶共振峰位置及大小差异上.据此提出:可通过曲线拟合法解决散射截面σ_(bs)/(πa^(2))与ka间的多值问题,同时用当量半径a^(*)对非球形气泡尺寸进行量化.具体首先利用非球形气泡背散射信号的频域信息测定其散射截面σ_(bs),再根据σ_(bs)与非球形当量半径a^(*)间拟合曲线进行反演,同时利用回波时域信息勾画气泡形状轮廓.反演结果通过高速摄影定量结果进行检验.结果表明:气泡沿之字形路径上升过程中产生非球形形变,当9≤kr_(0)≤35时,反演得到的非球形气泡当量半径与高速摄影定量半径r_(0)的相对误差小于45%,对应的最大绝对误差约为1 mm.说明该方法在一定测量精度范围可用于非球形气泡的声反演.

垂直凹壁面对称位置的空泡动力学模拟研究

直角凹壁面是水力机械过流部件中的一种常见壁面类型,而对于其附近区域内的空泡动力学行为认识还十分有限。本文采用VOF方法捕捉气液交界面进而对垂直凹壁面附近对称位置的空泡动力学行为进行研究,通过改变无量纲距离参数γ来探究不同距离下射流特征及其对壁面压力的影响。结果表明,空泡在溃灭阶段会产生两种不同方向的射流,即主射流与斜射流。主射流方向指向两垂直壁面交点,斜射流的方向随时间变化,有可能对两壁面产生影响。两种射流对壁面的压力影响与距离参数γ呈反比关系,γ越大时射流对壁面压力的影响越小。当距离较小(γ <2.5)时,需同时考虑两种射流的影响,但主射流对壁面的影响始终占据主导作用。

超声波空化效应冲流压的模拟分析

本文主要探究了插有细管的超声波水浴内的冲流压分布,对超声毛细现象进行了解释.管内液面上升的原因有表面张力与空化效应生成的空化泡溃灭时产生的冲流压.我们通过COMSOL模拟了水浴内超声波声压分布,并基于MATLAB计算了不同声压幅值条件下空化泡半径及其变化率随时间的变化情况,积分计算了冲流压的大小.实验中通过改变细管底部位置,探究冲流压大小对液面上升高度的影响,与理论曲线相比较,很好地解释了超声毛细现象,实验结果与超声空化理论相符合.

双泡模型共振频率的超声空化动力学研究

该研究旨在研究双泡模型的自然共振频率对超声空化的影响,通过理论计算研究了自然共振频率的影响因素,以及单频超声和双频超声与自然共振频率的关系。研究结果表明:气泡初始半径是影响自然共振频率的主要因素;低频驱动下的非线性波动程度会比高频的更加剧烈,当驱动频率等于气泡自然共振频率时,超声空化的效果更好;双频超声取气泡自然共振频率时超声空化效果远远优于单频超声驱动。该研究在超声医学和理解超声空化特性方面有着重要的意义。

水轮机空化的小波奇异性检测研究

空化现象是水轮机中难以避免的主要危害。空化噪声的谱分析一般采用功率谱分析,而功率谱分析在研究空化噪声这种具有很强突变性的信号具有明显的缺陷。小波分析具有很好的局部性,在奇异性检测和奇异性定位研究中得到了广泛的应用,文中在小波变换模极大值奇异性检测的理论基础上提出了水轮机空化的小波奇异性检测方法,并提出了小波基选择方案和突变点检测条件。较之以往的基于模极大值线搜索的方法,该方法具有运算量小的优点。分析了实际检测数据,结果表明该方法的有效性,并很好的检测出空化初生和空化形态转变。

舰船螺旋桨空泡噪声的数理模型

探讨舰船螺旋桨空泡噪声指数衰减型随机脉冲序列的理论模型。据此理论模型，导得螺旋桨空泡噪声谱的表达式。结果表明，螺旋桨空泡噪声由连续谱和离散线谱组成。螺旋桨空泡噪声线谱的相对幅值取决于声脉冲前沿出现时刻的随机摆幅。高频时线谱成分趋于零，低频段线谱成分甚大于相应的连续谱成分。高频段连续谱随频率的平方而下降，低频段连续谱随频率的平方而上升，在某一较低频率处出现谱峰。上述螺旋桨空泡噪声谱特性的理论结果和实际观测数据之间具有很好的一致性。

基于高速摄影的烟火药水下燃烧喷口气泡与噪声研究

为分析烟火药水下燃烧的现象及声辐射特性,采用高速摄影技术,对烟火药水下燃烧喷口处的气泡进行了实验研究。在此基础上根据高速摄影的系列图像估计了气泡体积,通过对气泡体积的曲线进行拟合后再求二阶导数获得了其变化的加速度,基于脉动体积源点声源公式,计算了喷口噪声的声压。结果表明由于界面的Bjerknes力和浮力的作用,气泡主要呈现一种扁球体;烟火药水下燃烧喷口噪声的声压最高达到了177.1 Pa。

空化噪声谱特性研究

空化发生时，气泡经历成长、溃灭、反弹、再溃灭等复杂过程，辐射出尖的声压脉冲，对空泡辐射的噪声特性起主导作用。空泡一次溃灭辐射的脉冲可以用单指数函数或双指数函数来描述，空泡多次溃灭辐射的脉冲可以用振幅衰减的指数函数序列来描述，本文对这些指数模型进行了详细的分析，得到不同模型对应的噪声谱。指出了这些模型的适用范围。并对经典单空泡噪声谱的特征进行了解释和说明。

全附体潜艇流噪声数值计算

运用计算流体力学(CFD)和边界元(BEM)相结合的方法,预报全附体潜艇流噪声,得到特征点的总声级和潜艇声场指向性分布规律。首先建立具有全部附体潜艇的几何模型并对流场计算域进行全结构化网格空间离散,然后采用雷诺时均方法(RANS)计算潜艇定常流体特性,得到的艇体阻力和压力系数与文献提供试验值吻合良好。再以流场定常计算结果为初值,计算潜艇非定常流动特性,得到声偶极源项,作为边界元求解辐射声场的输入量。声场计算通过在频域中求解福茨.威廉姆-霍金斯方程(FW-H)方程来完成。计算得到了潜艇表面的辐射声源强度分布,验证了流动转捩区是主要的发声部位,并分析了不同频率下声指向性的变化规律。计算所得结果与一般声学规律较为吻合。