航行体出水过程空化结构演变与溃灭载荷特性研究

高速航行体肩部附着空泡穿越自由液面过程中发生溃灭现象,将产生巨大的冲击载荷,严重影响航行体出水姿态和结构安全性。该研究采用改进型分离涡模型,建立了水下发射非定常空化特性数值模拟方法。结果表明:航行体附着空泡出水过程自上而下发生溃灭现象,在溃灭末期收缩为较小的孤立空泡,溃灭产生的高速射流冲击结构表面;在出水过程中,水面附近的“反向旋转涡对”导致附着空泡发生了快速溃灭现象,以发卡涡为代表的壁面涡旋结构发展明显受到附着空泡的抑制;空泡溃灭末期的孤立泡产生了巨大的冲击压力峰值,对航行体结构安全性将造成巨大破坏。初期航行体迎流侧空泡溃灭行为也会导致较大的压力峰值出现。

振动及加热壁面条件下的近壁空泡溃灭可视化研究

采用低压电火花生成空泡的方式系统研究了复杂壁面条件下的近壁空泡溃灭行为。通过不同类型振动壁面及不同温度壁面附近的空泡溃灭行为的可视化试验,发现壁面振动对空泡溃灭有促进作用,空泡溃缩过程更快,体积变化更显著。不同类型壁面对空泡溃灭过程的影响不同,柱形壁面相较于球形壁面,近壁的空泡形态较不规则,溃灭呈现整体塌陷的趋势,在反弹阶段会形成不规则的空泡云。壁面升温会使得近壁空泡产生明显趋向于壁面的溃灭行为,并伴随多次空化的现象,这会对壁面造成严重损伤。

基于单泡溃灭能量转化理论的空化实验研究进展

随着水力机械向大型化、高速化发展,船舶螺旋桨、水轮机及增压泵等相关设备设施的空化现象越来越严重,国内外学者对空泡溃灭能量转化进行了大量的实验研究,为降低空化侵蚀的损伤提供理论指导。首先概述了高速摄像技术、接触式水听器测量技术、非接触式光偏转法技术等方法在空泡相关实验研究中的应用,并分别讨论了其可实现的测试功能。其次综述了4类空泡能量耗散形式:一重建空泡能量;二不对称溃灭微射流能量;三压力波能量;四以热能和光能的形式耗散。最后总结了目前研究尚存在的不足,并在单泡溃灭能量转化理论模型、多空泡和复杂壁面场景下能量转化实验研究及深入探究材料空化侵蚀能量转化机制3个方面进行了展望。

泡粒距离对颗粒附近空泡溃灭射流的影响研究

为了研究颗粒与空泡之间的距离对空泡溃灭射流的影响,结合理论分析空泡的第一个振荡周期,采用数值模拟结果与实验高速摄像对比的方式验证计算方法的准确性,并研究不同泡粒距离下的溃灭射流。结果显示:随着泡粒距离的增加,空泡溃灭轮廓特征呈现3种情况:陀螺形、梨形和球形。随着无量纲距离(空泡初始位置中心点与坐标轴原点之间的距离/空泡最大半径)的改变,空泡的溃灭射流先增加后减小,最大达到114 m/s。

空泡溃灭与Al_(2)O_(3)颗粒联合作用下的材料强化模型及实验验证

采用空化泡与Al_(2)O_(3)纳米颗粒耦合的方法对镁合金进行强化处理,通过空泡溃灭产生的能量将Al_(2)O_(3)纳米颗粒打入样品从而实现强化,建立强化作用模型并进行实验验证。通过显微硬度仪、SEM、XRD、XPS对强化后的样品硬度、表面形貌、物相、元素含量与化学态等参数进行分析。结果表明:联合作用5 min后,样品表面出现纳米级颗粒,且Al_(2)O_(3)含量明显增多,表明Al_(2)O_(3)颗粒渗入表面,同时样品硬度提高了29.1 HV。联合作用的强化机制为空泡溃灭的能量并不直接作用于镁合金表面,而是传递给Al_(2)O_(3)颗粒,继而由Al_(2)O_(3)颗粒冲击样品表面,因此凹坑与其相邻区域更加连贯平滑,同时Al_(2)O_(3)颗粒渗入镁合金后也增强了表面性能。

基于格子玻尔兹曼方法的近壁区空化泡生长溃灭过程模拟

基于格子玻尔兹曼热流耦合模型,兼顾温度场与流场的相互影响,对近壁区空化泡的生长和溃灭过程开展了系统研究,分析了泡壁无量纲距离和初始输入温度对空化泡演化过程和溃灭强度的影响,并对比了被动标量模型与热流耦合模型的差异。结果表明:空化泡受壁面限制,生长过程中无法保持圆形,其最大半径与泡壁无量纲距离之间存在幂函数关系,当泡壁无量纲距离大于1.6时,则为线性关系;空化泡最大半径与输入能量为线性关系,与初始输入无量纲温度之间存在幂函数关系;热流耦合模型考虑了高温对表面张力的影响,与被动标量模型模拟结果相比,其溃灭阶段获得的射流体积更大,微射流更集中,但溃灭强度更小。

航行体垂直出水载荷与空泡溃灭机理分析

针对航行体水下垂直发射出水载荷机理问题,首先开展了典型工况全过程的数值模拟,得到了航行体肩、尾空泡及表面压力的演化过程,并与试验结果进行了对比验证.在此基础上揭示了航行体肩部空泡溃灭的过程和机制,进而提出了出水溃灭压力的物理模型,探索了空泡厚度、水层厚度、声速等重要参数的影响,讨论了试验溃灭压力相似律等相关问题.

空泡溃灭过程中力学损伤行为

在电脉冲空蚀实验装置上,设计加装了压电传感系统,成功地监测记录了空泡溃灭对金属表面的作用力,对气泡的溃灭过程进行了描述和解释,验证了气泡的二次溃灭理论.计算了两次溃灭过程中冲击能量变化情况.测量了气泡在距离金属表面不同距离时,空泡溃灭作用于金属表面压强和冲量的大小,两者的变化规律对比分析表明:脉冲放电产生的冲击压和冲量随距金属表面的不同距离而表现出的规律不一致.

挟沙水流中空泡溃灭的实验研究

利用高速摄影方法观测了挟塑料沙水流中不同流速、不同含沙量工况下由电火花生成的空泡的溃灭过程，分析了水流流速对空泡运动形态的影响。

单液滴内空化气泡的生长及溃灭研究

超空化燃油射流使得喷雾中部分燃油分裂液滴内含有空化气泡;空化气泡的生长及溃灭对液滴的分裂与雾化具有重要影响.基于VOF方法首次对超空化条件下燃油液滴内空化气泡的生长及溃灭过程进行了数值模拟.通过研究发现,单液滴内空化气泡的生长过程可以按控制机理划分为表面张力控制阶段、综合竞争阶段和惯性力控制阶段;在第I阶段,空泡的生长主要受表面张力的控制作用,惯性力对空泡生长的促进作用及黏性力对空泡生长的抑制作用可以忽略;在第II阶段,空泡的生长受表面张力、惯性力及黏性力三者的综合作用,空泡的生长速率是促进空泡生长的惯性力和抑制空泡生长的表面张力及黏性力相互竞争、共同作用的结果;在第III阶段,空泡的生长主要受惯性力的控制作用,抑制空泡生长的表面张力及黏性力的作用基本可以忽略.单液滴内空化气泡的溃灭过程由多个溃灭阶段和反弹阶段构成,类似于有阻尼弹簧振子的振动过程;根据每个溃灭周期结束时空泡半径随时间的变化历程,可以将空泡的溃灭分为快速溃灭期、缓慢溃灭期以及稳定期;溃灭初期空泡溃灭压力的变化非常剧烈,但空泡溃灭体积的变化则要相对平缓得多;空泡反弹压力随时间的变化与空泡反弹体积随时间的变化基本对应.

壁面处气泡在静止流场和高速水流中溃灭过程的计算仿真

通过数值仿真计算,模拟近壁面以及附壁面气泡在静止流场和高速水流中的溃灭过程,研究气蚀作用机理.结果表明:气泡与壁面的距离和水流的速度影响其溃灭时间;附壁面气泡在高速水流中完全溃灭的时间最短,而在静止流场中最长,远离壁面将增加气泡的不稳定性;当气泡距离壁面一定距离溃灭时,射流不能直接作用于壁面,壁面承受冲击波的最大压力远小于气泡溃灭中心的压力;当气泡溃灭中心在壁面时,射流直接作用于壁面产生微小而严重的点破坏,而冲击波则使材料产生交变应力,造成环形破坏;当气泡在高速水流中溃灭时将产生逆流斜向射流,这可能是水力机械过流部件产生鱼鳞坑和波纹状破坏的主要原因.

Fluent环境中近壁面微空泡溃灭的仿真计算

基于FLUENT软件环境,采用VOF模型和非稳态方法求解Navier-Stokes方程,模拟了近壁面的空泡溃灭过程,同时计算了空泡溃灭处与壁面的距离对射流强度的影响.结果表明:在近壁面,空泡将形成非对称溃灭,因水锤作用,引发高速水射流在壁面产生高压而形成空蚀破坏;基于FLUENT环境的计算结果与已有的实验和计算结果相符,为研究空泡溃灭和空蚀机制提供了类比的数值计算方法.

流体物性对空化气泡溃灭过程影响研究

文章采用VOF模型,模拟近壁面气泡在流场中的溃灭过程,研究了流体的不同物性(黏性和表面张力)对气泡溃灭过程的影响。结果表明:在近壁面,空泡将形成非对称溃灭;因水锤作用,引发高速射流在壁面产生高压而形成空蚀破坏;流体的黏度越大,气泡的溃灭周期越大,射流压强越小;空泡溃灭的周期随液体表面张力的增大而减小,射流压强随表面张力的增大而增大。

单空泡溃灭辐射噪声的实验研究

对空泡在自由面或固壁面附近溃灭辐射噪声的规律进行了实验研究，不仅讨论了自由面及固壁面对辐射噪声的影响，还讨论了空泡中心距边界面的距离对辐射噪声的影响。其中空泡是应用调Q－YAG脉冲激光器产生，该方法在国内尚属首次，得到的实验结果与经典Vogel激光实验结果及作者的数值结果相吻合。

空泡溃灭水锤的VOF计算方法

空泡溃灭水锤是核电厂冷却循环系统中较常出现的一种严重的水锤事故。空泡的形成和溃灭是复杂的两相、瞬态过程，对于这一现象的分析是相当困难的。作者尝试着把蒸汽泡的边界看成是冷水流动的自由面，在自由面上考虑蒸汽的凝结。对于自由面的ＶＯＦ算法用了ＶＯＦ算法，取得了令人满意的结果，不仅形象地描绘了空泡的形成和溃灭的过程，而且得到了与实验相符的空泡溃灭高压和弥合速度，因此可为管道设计提供理论基础。

自由场空泡溃灭过程能量转化机制研究

综合应用实验与数值模拟方法,深入讨论了自由场空泡溃灭过程中的能量转化机制.在实验研究中,应用纹影法记录了空泡溃灭的演变过程,提取了空泡在溃灭过程中的半径,溃灭速度等数据,结合空泡势能和动能方程,描述了空泡能量的转化过程.在开展数值模拟分析时,运用弱可压缩流体质量守恒方程和动量方程,建立了三维数值模型用以模拟空泡在自由场中的溃灭过程,并且由结果中获取了空泡溃灭过程中的压力及速度变化规律,揭示了空泡在溃灭过程中能量转化机制.研究结果表明:(1)自由场空泡在溃灭过程中,空泡势能与空泡半径具有相同的演化趋势,空泡动能与势能变化趋势相反;当空泡达到最大半径处时,空泡势能最大,流场动能为零.(2)溃灭后期在空泡周围会形成高压区域,该区域的压力梯度与速度梯度较高,随着空泡收缩,高压区域面积逐渐减小.(3)空泡在自由场中发生溃灭时,空泡势能不断转化为流场动能,在溃灭时刻可以明显观察到冲击波现象,空泡的大部分能量会在此时转化为冲击波的波能.

空泡溃灭的Bjerknes效应

根据 Bjerknes力的基本理论和空泡动力学方程 ,推导出了空泡运动时 Bjerknes力的表达式。在此基础上 ,对空泡溃灭时的 Bjerknes力进行了计算和分析。

空泡在固壁附近溃灭的数值模拟

实验表明,静止流场中的近壁空泡在泡内外压差的驱动下将发生变形收缩,直至完全溃灭消失。在这一过程中,伴随着空泡形状的变化,流场中出现多个高压脉冲和高速射流。本文通过直接求解原始变量的N-S方程,用VOF方法计算气液两相交界面的运动过程,对这一现象进行了数值模拟和分析。结果表明理论分析和实验现象相吻合。

固液两相流体中的空泡溃灭计算

本文导出了固液两相流体中球空泡溃灭的运动方程,计算并讨论了空泡溃灭过程中的颗粒运动和颗粒对空泡溃灭的影响,得到了固相浓度、颗粒尺寸等因素与空泡溃灭之间的定性关系。在分析过程中,考虑了液体与固体颗粒之间的阻力耦合作用。

近固壁微米尺度空泡溃灭的数值研究

考虑空泡表面张力、液体黏性和气体可压缩性,采用VOF多相流模型对近固壁微米尺度空泡在静止流场溃灭过程进行了数值研究.获得了近固壁空泡溃灭过程的流场细节,分析了空泡与固壁的无量纲距离γ对空泡溃灭过程动力特性的影响,并揭示了不同γ条件下的固壁空蚀破坏机理.计算结果表明:随着γ的减小,泡心向固壁移动的趋势明显,射流形成前空泡上部高压区内压力减小,空泡溃灭时间延长,最大射流速度减小.模拟结果验证了空泡溃灭将产生冲击波和高速微射流,二者均会在固壁面产生脉冲压力,其是造成壁面损伤的两种主要原因.参数γ对固壁的空蚀破坏机理有重要影响.与微射流机制相比,以冲击波机制为主的空蚀破坏更显著.微射流冲击固壁的作用半径为10μm左右,将引起固壁"点"蚀坑的出现.当γ=2.0时,冲击波扫掠壁面的范围相对较广,有效作用半径约为1 mm,其导致固壁产生较大圆形蚀坑,且中心空蚀严重.