跨介质航行力学实验室
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绪论1.1 空泡和空化现象

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发表时间:2021-02-11 01:54

§1.1.1 空泡与空化现象

       首先我们来看一段视频。螺旋桨在高速旋转时,叶片的导边背流面出现低压区,压力低于水的饱和蒸汽压,发生了汽化。生成的水蒸汽形成气泡群和聚集在叶片表面形成空腔,并持续不断地从叶片表面分离,留在叶尖形成的螺旋形涡环上,构成了螺旋形的稍涡空化。这些空泡内的水蒸汽随后在水压作用下再次发生相变,瞬间凝结成水,导致气泡发生内爆,形成强烈的噪声。在浅水高速航行时,螺旋桨表面出现大面积空化,会导致背流面压力升高,推力下降。

视频1 什么是空化

      在叶片表面附近爆裂的气泡由于壁面效应,形成指向叶片的高速射流,冲击叶片,长期工作在空化状态的螺旋桨叶片会因冲击而发生剥蚀现象。所以早期的空化研究主要研究空化的剥蚀问题,也称为空蚀效应。空蚀效应对水坝泄洪道、水泵和水轮机的叶轮也在存在巨大危害。

图1 泄洪道汽蚀坑

图2 水泵叶片空蚀

图3 水轮机的空蚀

        空化现象也会出现在高速运动的水翼表面,形成附着在背流面的片状空化,由于空化区内的压力等于饱和蒸汽压,不再下降,导致水翼升力降低。由于空泡分离位置不确定引起的空泡脉动现象,也会导致升力振荡。


视频2 水翼空化试验

        分析前面的实例,我们可以总结出空泡和空化现象的特点,进而给出空泡和空化现象的定义。

        当液体内某点压力降低到某个临界压力以下时,液体发生汽化,先是微观的,然后成为宏观的小气泡,尔后在液体内部或液体与固体的交界面上,汇合形成较大的蒸汽与气体的空腔,称为空泡(Cavity)。空泡的产生、发展与溃灭过程称为空化现象Cavitation Phenomenon)。

        下图是水的三态相变图。空化是在温度不变的情况下,压力降低导致液体汽化的,可见压力降低是发生空化的必要条件。另外初生的气泡是以气核为中心聚集起来的,水中气核含量大有利于空化的发生。

图4 水的三态相变图

        根据压力降低的原因,空化可分为两大类:由于局部速度增大导致压力降低到临界压力以下而发生的空化称为流体动力空化(Hydrodynamic Cavitation);由于液体中, 波场的出现而导致压力降低发生的空化称为声学空化(Acoustic Cavitation)。超声空化常用来清洗物体表面污垢、破碎液体中混合的颗粒物等。本课程所研究的航行体超空泡属于第一类。



视频3 超声空化

        超声空化本质上是由于超声波再水中传播时,纵波引起水中空间点位置处的压力振荡,当压力下降至饱和蒸汽压时,瞬间产生汽化,产生大量微气泡,而随后压力再次升高,导致微气泡大量破裂。气泡破裂形成的高速微射流可以对水中悬浮的颗粒物和物体表面结垢形成冲击,产生破碎作用,进而达到粉碎和清除污垢的作用。


        在日常生活中,我们还常见到另一类空化现象。当物体快速入水时,会把空气吸入水中形成入水空泡。空泡内充满空气,如果入水速度很高,泡内气体快速耗散,压力降低,也会充满蒸汽的超空泡。为了区分,把前者成为通气超空化(Ventilation supercavitation),后者成为自然超空化(Natural supercavitation),螺旋桨和水翼空化属于自然超空化。为了促进空化,人为向空泡内通气,也称为人工超空化(Artificial supercavitation)。


图5 两类入水空泡


      上图左侧为小球低速入水时因掺气作用形成的空泡。右图为回转体高速入水时,发生自然空化形成的空泡。下图为圆柱体入水过程的图像序列,演示了柱体入水过程中,开口空泡的形成、拉伸、面封闭、深封闭和射流形成过程。

图6 入水空泡形成过程图像序列

§1.1.2 空化状态

        前面我们直观的了解了空泡和空化现象。为了进一步深入了解空泡现象,我们根据空化的发展阶段来定义空化状态。

图7 空化状态

a)非空化状态是指运动体附近流场中没有发生空泡的状态,物体表面处于完全沾湿状态。

b)临界空化状态是指在物体附近流场中的最低压力开始降到液体的蒸汽压力,流场中的最低压力点通常位于物面上,物面上的该点开始出现空泡的状态。临界空化状态有时也称为初生空化状态(Initial Cavitation)

c)局部空化状态是指在物体局部表面上和邻近液体内部已经出现成片的空泡状态。这种状态下产生的空泡一般都是/或专指附体空泡,称为局部附体空泡(Partially Attached Cavity)。

d)超空泡状态是指在整个物体表面上和物体尾端附近的液体中都出现空泡的状态。超空化状态下,形成的空泡犹如一个大汽/气袋,超过物体的尾端,或把整个物体装于其中,这种空泡称为超空泡(Supercavity) 。

§1.1.3 空泡形态

        空泡在起始与发展过程中具有不同的形态,不同条件下发生的空泡也具有不同的形状。按空泡流型(Pattern of Cavity)空泡可分为:

(1)瞬态孤立汽泡(Transient Isolated Bubble)

        这种汽泡是在流场低压区由液体中存在的非常小的空气核迅速成长而形成的孤立汽泡或汽泡群,它们在流场中随主流液体运动,所以也常称为游移型空泡(Migrating Bubble)。孤立汽泡的尺度一般较小,也有厘米量级的较大气泡,它们的最大特点是散布在流场的液体之中,随着流场的压力的变化而产生、膨胀、收缩与溃灭。

(2)附着空泡(Attached Cavity)

        附着空泡也经常称为固定空泡或片状空泡(Fixed or Sheet Cavity)。它是附着在物体表面上的汽体空腔。当在液体中运动的物体表面压力降低到液体蒸汽压力时,空泡开始发生。在空泡起始阶段,有可能初起的小附体空泡被运动的液体带离物体表面,成为孤立气泡,在物体表面处又重新生成附体空泡。经过一定过程后,空泡稳定地附着在物体上。当物体的运动状态改变时,如速度变化与深度变化等,附着空泡将随着物体表面的压力变化而变化,或膨胀、或收缩,甚至溃灭。当附着空泡的尺度与物体的尺度相比不能忽略不计时,对物体的运动性能就会产生较大的影响。局部空泡和超空泡都是相对于运动体而言的,都属于附着空泡。

图8 空泡形态

(3)空化涡(Cavitating Vortex)

        这种空化可能出现在湍流尾流中的涡心低压区,或者作为更常规的流型是发生在三维机翼或螺旋桨叶片的梢端。

图9 螺旋桨稍涡空化

§1.1.4 空化数

       空化数是描述空化起始与状态的一个无因次参数。在一般形式中,Pr为所研究点的压力,Pv为饱和蒸汽压,Tf为研究点的温度,Δp为系统特征压差。

        当我们研究水下h米深度运动体空化时,定义式中pInf表示来流压力,vInf为来流速度。

        对于泵的研究,定义式中,pin表示泵的入口压力,vp表示转子的圆周速度。

        对于闸门的研究,定义式中pdown表示闸门下游压力,pup表示闸门上游压力。

        在研究超空泡航行体时,常用b)式计算空化数。

        在空化问题研究中,也常使用σvi参数表示流场中任一点发生空化时的参数值,称为起始空化数(Cavitation Number at Inception)。它是空化是否发生的门限值。

        影响门限值的因素很多,也很复杂,主要有:流场几何参数,粘性、重力、表面张力、压缩性、饱和蒸汽压力、气体含量等液体特性参数,湍流度、压力梯度、热传导等动力学参数,壁面粗糙度、浸润性等物面物化特性。

         对起始空化数影响较大的、也是我们经常关心的是物面形状,为了对起始空化数有个量级概念,现以柱体横向流为例:直径10的圆柱、长轴80与短轴20 的椭圆柱、长轴80与短轴10 的椭圆柱,零攻角时它们的起始空化数值分别约为1.5、0.45和0.2。

        起始空化数难以准确确定,一般取最小压力点的压力系数。对于已经产生的空泡,定义空泡数Cavity number,有文献称之为相对压降Relative underpressure of cavity,在超空泡航行体研究中,高速自然超空化用自然空化数描述,通气空化用空泡数描述。

§1.1.5 空化流场 Cavitation Flow

        伴随有空化现象发生的流场称为空化流场(Cavitating Flows)。空化流场人们关心的主要问题是,空化的发生、发展过程、机理及后果。

        空化流场常分为定常空化流场(Steady Cavitating Flows)与非定常空化流场(Unsteady Cavitating Flows),可压缩空化流场(Compressible Cavitating Flows)与不可压缩空化流场(Incompressible Cavitating Flows)。

        就流场中的“空泡”来说,如前所述,主要是两类:一类是液体中由空化产生的孤立气泡,另一类是由空化产生的与物体壁面相连的空泡。前者英文一般用“Bubble”表示,后者用“Cavity”表示,两者不仅具有不同的特点,人们所关心的问题也不同。前者既关心气泡个体,也关心气泡在液体中的浓度、体积分数等的发展规律及其影响,后者主要关心空泡的形态与稳定性问题。因此,空泡流场的研究方法也大致分为两类:第一类可考虑称为气泡动力学,整个流场以二相流的方法进行研究,第二类在某种意义上也是二相流,但经常把空泡看成物体的一部分,把空泡与物体作为一个整体加以研究。第一类空化流场在水中兵器领域应用的典型例子是舰船尾流场,被用于鱼雷尾流制导。本课程主要研究第二类空化流场,特别是超空化流场(Supercavitating Flows)。

§1.1.6 易于发生空化的典型情况

(1)壁面几何形状在总体稳定的流动中使局部速度增大,产生局部压降,有可能达到空化生成的最小空化数。例如,水下航行器壳体斜率和曲率变化较大的表面,螺旋桨和水泵等的叶片上表面,液体通道中横截面变小的内表面,迫使流线产生较大弯曲的弯管(道)内侧表面等,这些地方都使液体加速,压力降低;





(2)在两个相邻的、具有很大速度差的流动中,剪切产生的较大压力湍流脉动。例如,射流、尾流的情况;

(3)某些流动中由于强烈的非定常特性,使大量流体在短时间内突然加速,导致循环流动的某个瞬时产生压力降低。例如,如在水力控制回路、水力发电厂或狄赛尔发动机的供给管线中的水锤;

(4)壁面局部粗糙度产生的局部尾流,在尾流中可能发生小的附着空泡。例如,如水坝的溢流道水泥壁面;

(5)壁面振动产生的加在平均压力场上的振荡压力场,如果振幅足够大,在负振荡时可能出现空泡。例如,由于发动机引起的水下航行器壳体的较大振动,狄赛尔发动机的液体冷却系统等;

(6)机械系统的某些间隙,如果间隙中含有液体,并且间隙的壁面成周期性运动,壁面上可能发生空化;

(7)物体在静止的流场中由于撞击突然加速,如果物体具有锐边的话,锐边周围流体加速产生低压,即使撞击后瞬时速度相当低。






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