（水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)專業(yè)論文）門槽空化特性及數(shù)值模擬研究.pdfVIP

摘要 槽空化特性及數(shù)值模擬研究 水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)專業(yè) 碩士研究生 吳健強(qiáng)指導(dǎo)教師 戴光清教授 兩要 隨著我國水利事業(yè)的不斷發(fā)展和巨型水電站的興建 一批2 0 0 m 3 0 0 m 量級(jí) 的高壩將相繼建成 這就意味著其泄洪最大流速將達(dá)5 0o r r d s 左右 閘門工作水 頭愈高 流速愈大 門槽空化問題愈尖銳 到目前為止 對(duì)門槽避免空化空蝕 破壞方面的試驗(yàn)研究和理論研究范圍仍限于較低流速 門槽空化的機(jī)理發(fā)影響 門槽空化特性因素的研究尚未成熟 為了給工程設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行提供重要科學(xué) 依據(jù) 亟待對(duì)高速水流下門槽空化特性進(jìn)行全面深入的研究 本文首先在前人研究基礎(chǔ)上 分析了門槽水流空化的類型及其影響因素 比較了不同類型門槽的空化特征 對(duì)門槽空化的一些性質(zhì)進(jìn)行了歸納和總結(jié) 為了進(jìn)一步探討門槽的空化特性 本文對(duì)一系歹0 不同寬深比及不同圓角比的矩 形門槽在高流速下 3 0 r r g s 進(jìn)行空化流場數(shù)值模擬 并將該方法應(yīng)用于實(shí)際工 程中 此外 為尋求空化初生的內(nèi)在規(guī)律和模型試驗(yàn)的比尺效應(yīng) 本文還對(duì)不 同突擴(kuò)比的高速突擴(kuò)流 3 0 4 0 i n s 進(jìn)行了試驗(yàn)研究 主要研究內(nèi)容和成果有 1 根據(jù)前人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論研究 深入分析和研究了門槽的空化特 性 得出 造成門槽空蝕破壞的原因主要是分離型空化所引起的 而漩渦型空 化所引起的門槽空蝕為數(shù)較少 破壞程度也較輕 門槽的幾何參數(shù)寬深比 w d 錯(cuò)距比 a w 斜坡比 z 及圓角比 r i d 是影響門槽空 化的主要因素 2 為了對(duì)門槽水流流場特性 壓力特性及空化特性進(jìn)行全面深入的研 四川大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 究 本文采用標(biāo)準(zhǔn)的k s 模型模擬了高流速下 有壓洞矩形門槽的水流流場 并耦合變密度模型 定性分析了門槽空化特性 得出 在3 0 m s 的高流速下 矩形方角門槽適宜寬深比是12 w i d 19 最優(yōu)寬深比是13 w d 17 對(duì)矩形方角門槽進(jìn)行圓滑處理 能夠在很大程度上減免空化發(fā)生的可能 適宜 的圓角比是01 r d 03 3 應(yīng)用上述成果對(duì)溪洛渡水電站導(dǎo)流洞豎井門槽進(jìn)行了數(shù)值模擬 與 試驗(yàn)結(jié)果吻合良好 這表明 本文采用的數(shù)模方法和計(jì)算結(jié)果是正確和可靠的 數(shù)值模擬結(jié)果還表明 溪洛渡模型的門槽結(jié)構(gòu)是合理的 寬深比w d 13 3 且在最大導(dǎo)流工況下門槽沒有空化發(fā)生 4 對(duì)不同突擴(kuò)比 不同后臺(tái)階高度 的高速突擴(kuò)流進(jìn)行了空化試驗(yàn)得 出 在相同的突擴(kuò)比 后臺(tái)階高度 時(shí) 初生空化數(shù)隨著速度和雷諾數(shù)的增大 而增大 相同雷諾數(shù)下 初生空化數(shù)隨著臺(tái)階高度的增加而增加 在前人研究 的基礎(chǔ)上 分析初生空化數(shù)和速度之間的關(guān)系 提出了在高流速下初生空化數(shù) 的速度比尺修正公式 關(guān)鍵詞 門槽 空化 變密度模型 突擴(kuò)流 比尺效應(yīng) 摘要 t h es t u d yo ft h eg a t es l o t sc a v i t a t i o n c h a r a c t e r i s t i c sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n m a j o r h y d r a u l i c sa n dr i v e rd y n a m i c s p o s t g r a d u a t e w uj i a n q i a n gs u p e r v i s o r p r o f d a ig u a n g q i n g a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h eh y d r a u l i ce n g i n e e r i n g al o to f h u g eh y d r o e l e c t r i c s t a t i o n sa n dh i g hd a m sh a v eb e e nc o n s t r u c t e d w h i c hm e a n st h em a x i m u mv e l o c i t y o ft h ef l o o dd i s c h a r g ew i l lc o m et o5 0o m sa p p r o x i m a t e l yw i t ht h ei n c r e a s eo ft h e o p e r a t i n gh e a da n dt h ev e l o c i t y t h ec a v i t a t i o no fg a t es l o t sw i l lb em o r ef r e q u e n t h o w e v e r t h ee x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a ls t u d yo nd i m i n i s h i n gc a v i t a t i o nd a m a g e s h a sf o c u s e do nt h ep r o b l e m so fl o wv e l o c i t i e ss of a r t h em e c h a n i c so f t h eg a t es l o t s c a v i t a t i o na n di t sr e l a t i v ef a c t o r sh a v es t i l lb e e nu n k n o w nt op r o v i d es c i e n t i f i cb a s e s f o rt h ed e s i g na n d o p e r a t i o n t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h eg a t es l o t sc a v i t a t i o ns h o u l db e s t u d i e df u r t h e r b a s e do nf o r m e rr e s e a r c h e s t h et y p e so ft h eg a t es l o t sc a v i t a t i o na n di t sr e l a t i v e f a c t o r sw e r ea n a l y z e da n dt h ec a v i t a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n tg a t es l o t sw e r e c o m p a r e da n ds u m m a r i z e da tav e l o c i t yo f3 0 m s t h ec a v i t a t i o no fr e c t a n g u l a rg a t e s l o t sw i t hd i f f e r e n tb r e a d t hd e p t hr a t i o sa n dd i f f e r e n tb u l l n o s er a t i o sw a ss i m u l a t e d n u m e r i c a lm o d e l sw e r ea l s oa p p l i e di np r a c t i c a lp r o j e c t si na d d i t i o n t os t u d yi n n e r r e g u l a r i t i e so ft h ec a v i t a t i o ng e n e r a t i o na n ds c a l ee f f e c t so ft h ee x p e r i m e n t m o d e l i n v e s t i g a t i o n so fs u d d e ne n l a r g e m e n tf l o ww i t hh i g hv e l o c i t i e s 3 0 4 0 m s w e r e p e r f o r m e da td i f f e r e n ts u d d e ne n l a r g e m e n tr a t i o s t h em a i nc o n t e n t sa n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w 1 c a v i t a t i o nd a m a g e sa r em a i n l yc a u s e db yt h ev o r t e xc a v i t a t i o nb u tn o t i n 四川大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 s e p a r a t i o nc a v i t a t i o nt h ep r i m a r yf a c t o r si n f l u e n c i n gt h eg a t es l o t sc a v i t a t i o na r et h e p a r a m e t e r so f b r e a d t hd e p t hr a t i o s w d s t a g g e r e dr a n g er a t i o s a w s l o p e r a t i o s a i x a n db u l l n o s er a t i o s r d 2 a tah i g hv e l o c i t y t h es t a n d a r dk m o d e lw a sa d o p t e dt os i m u l a t et h e f l o wo far e c t a n g u l a rg a t es l o to fap r e s s u r ea n dl o n gt u n n e lt of u r t h e ra u d yt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ef l o wf i e l d p r e s s u r e a n dc a v i t a t i o n t h ev a r i a b l ed e n s i t ym o d e l w a sa l s ou s e d t h ef l o wa n dp r e s s u r ef i e l d so ft h ec a v i t a t i o no fg a t es l o t sw e r e a n a l y z e dq u a l i t a t i v e l y a tav e l o c i t yo f3 0 m s t h em o s ts u i t a b l eb r e a d t hd e p t h r a t i o s o fr e c t a n g u l a rg a t es l o t sa r eb e t w e e n1 2a n d1 9a n dt h eo p t i m a lo n e sa r eb e t w e e n 13a n d1 7 3 t h ef l o wo ft h es h a f tg a t es l o to ft h ex i l u o d ud i v e r s i o nt u n n e lw a s s i m u l a t e d a n dc o m p u t a t i o n a lr e s u k sa g r e e dw e l lw i t hm e a s u r e dd a t a i ti ss h o w nt h a t t h en u m e r i c a lm e t h o da n ds i m u l a t er e s u l t sa r er i g h ta n dr e l i a b l ec o m p u t a t i o n a l r e s u l t s i n d i c a t e s t h e d e s i g no f t h e g a t es l o t w d 2 13 3 i s f e a s i b l ea n d t h e c a v i t a t i o n d o e sn o to c c u ra tt h en g h e s tv e l o c i t y 4 c a v i t a t i o ne x p e r i m e n t so fh i i g hs p e e da n ds u d d e ne n l a r g e m e n tf l o ww i t h d i f f e r e n tr a t i o sw e r ep e r f o r m e d a tah i g hv e l o c i t i t h em o d i f i e df o r m u l ao ft h e v e l o c i t ys c a l eo fi n c i p i e n tc a r n a t i o nn u m b e r sw a so b t a i n e db ya n a l y z i n gt h er e l a t i o n b e t w e e nt h ei n c i p i e n tc a v i t a l i o nn u m b e ra n dv e l o c h y k e y w o r d s g a t es l o t c a v i t a t i o n v a r i a b l ed e n s i t ym o d e l s u d d e ne n l a r g e m e n t f l o w s c a l ee f f e c t 概論 1 概論 從十九世紀(jì)后半葉在螺旋槳葉片上發(fā)現(xiàn)窄化現(xiàn)象到現(xiàn)在已有1 0 0 多年的歷 史 空化現(xiàn)象的理論及內(nèi)容已經(jīng)有了很大的發(fā)展 并且空化現(xiàn)象所涉及的領(lǐng)域 也越來越多 但到目前為止對(duì)空化的機(jī)理研究尚未很清楚 隨著壩工技術(shù)的提 高和水電建設(shè)事業(yè)的發(fā)展 我國高壩建設(shè)發(fā)展迅速 壩高不僅突破了2 0 0 m 而且已進(jìn)入3 0 0 m 量級(jí) 高水頭 大流量泄水建筑物不斷增多 與之相關(guān)聯(lián)的 脈動(dòng) 振動(dòng) 空化 空蝕 沖刷 霧化等一系列高速水力學(xué)問題日益突出 受 到水利工程人員的廣泛關(guān)注 水頭越來越高 泄水建筑物的最大泄流速度已高 達(dá)4 0 m s 以上 有的甚至超過5 0 m s 高速水流容易發(fā)生空化 空化所引起的 空蝕破壞會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行 甚至造成重大的災(zāi)難性工程事故 因此有必要結(jié)合工程實(shí)際對(duì)空化進(jìn)行全面深入的研究 本論文所研究的主要問 題是水工建筑物空化的形成機(jī)理 影響因素以及空化試驗(yàn)的比尺效應(yīng)而展開 的 空化現(xiàn)象是由于液流系統(tǒng)中的局部低壓 低于相應(yīng)溫度下該液體的飽和蒸 汽壓 使液體蒸發(fā)而引起的微氣泡 或稱為氣核 爆發(fā)性生長現(xiàn)象 即稱之為 空化 c a v i t a t i o n 1 3 1 通常見到的液體都不是純液體 里面含有許多微粒雜 質(zhì) 如固體微粒 微生物和微氣泡 這種微氣泡的半徑一般在2 0 k o n 以下 稱 之為氣核或空化核 4 1 假如一個(gè)球狀泡懸浮于液體中 則泡內(nèi)外壓強(qiáng)的平衡關(guān) 系為 p 圪一百2 s 1 1 式中 只 尸分別為泡內(nèi) 外壓強(qiáng) r 為泡半徑 s 為表面張力系數(shù) 空化 現(xiàn)象包括空泡的發(fā)生 發(fā)育和潰滅 它是一個(gè)非恒定的過程 當(dāng)然 空化也有其有益的方面 比如水力空化在化工上的應(yīng)用 以及醫(yī) 療 工業(yè)清洗等 利用超聲空化清洗壞牙己普遍應(yīng)用 四川大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 1 1 空化機(jī)理 在液體理論中 液態(tài)被認(rèn)為是偽晶體 因此常常假設(shè)液體里存在微小的 空隙或 孔洞 但要以這些空洞為核心使液體破裂估計(jì)需要4 0 0 0 到1 0 0 0 0 個(gè)大氣壓力的拉力 要使液體易于發(fā)生空化 必須使得這些孔洞能夠生長并成 為穩(wěn)定的永久性 核子 這就涉及到液體中所含雜質(zhì)的問題 未溶解的氣體 和未凝結(jié)的蒸汽是液體中最常見的 雜質(zhì) 即所謂的氣核 h a r v e y 等人指出 未溶解的氣體或未凝結(jié)的蒸汽可以以空腔的形態(tài)存在 于容器壁上亞微觀 疏水性的裂縫和縫隙中 或存在于微觀的固體質(zhì)點(diǎn)上 5 圖1 1 表示了在疏水性固體壁面縫隙中氣核穩(wěn)定存在的理論模型 此時(shí)液體表 面張力將起著阻止氣液相界面進(jìn)入裂縫的作用 圖1 1 a 為液體與裂縫中的氣體 和蒸汽處于平衡狀態(tài)時(shí)的情況 此時(shí)氣液相界面處于壓力平衡 即 p p 等 p 圖1 1 b 為液體未被氣體所飽和的情況 此時(shí)氣體將繼續(xù)向 液體中擴(kuò)散 亦即液體將進(jìn)入裂縫 r 減小 直至達(dá)到平衡位置 圖1 1 c 為 液體被氣體過飽和時(shí)的情況 此時(shí)液體中的氣體將向空穴擴(kuò)散 r 增大 液體 后退 直到平衡為止 因此這些氣核可永久的存在于固體壁面的縫隙里并保持 穩(wěn)定 這種穩(wěn)定的氣核存在于液體中的理論得到了實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證 圖1 1 為憎水性裂縫內(nèi)氣核示意圖 氣核裂隙頂角為2 口 上部為液體 氣 液兩相間形成一個(gè)具有半徑為 的凹面 接觸角以 魯 戊 如圖l a 所 z 示 在這種條件下 表面張力的作用是阻止界面進(jìn)入裂縫的 這樣 力的平衡 條件可表達(dá)為 po g 莩或卸 百2spo pp v 1 2 g f或 p f 1 2j 式中 p 液體內(nèi)的壓力 p p 裂隙內(nèi)氣體及蒸汽壓力 s 表面 張力 矗 液面半徑 1 概論 j r 初始平衡界面瞬態(tài)界面 前進(jìn)或后退 r 攝終平衡界面 圖1 1氣核在憎水性裂隙中的穩(wěn)定 f i g 1s t a b i l i z a t i o no fab l e bn u c l e o ni nah y d r o p h o b i cc r a n n y 假設(shè)p 和s 都與月無關(guān) 液體局部未被飽和 即p 超過飽和值 時(shí) 如 圖1 1 b 所示 氣體將被溶解 液體向前推進(jìn) 進(jìn)入裂隙 接觸角 吼 包 半徑胄小于平衡值 與此同時(shí)氣體的溶解使p 減小 當(dāng)擴(kuò)散達(dá)到平 衡時(shí) 接觸角仍回到見 界面穩(wěn)定在一個(gè)新的位置上 裂隙中液體局部過飽 和 p 小于飽和值 時(shí) 如圖1 1 c 所示 從液體擴(kuò)散過來的氣體將使空 腔增大 首先接觸角減小到耽 界面曲率增加 接著液面后退 同時(shí)月增 大 p 也趨于平衡值 f o x 和h e r z f e l d 也提出了有機(jī)薄膜理論 8 微小氣核之所以不會(huì)溶解 是 因?yàn)闅夂吮挥袡C(jī)薄膜所包圍 這種有機(jī)薄膜是在水一氣界面上自然而然地形成 的 它改變了液體的有效表面張力 推遲了蒸發(fā) 阻礙著擴(kuò)散 使微小氣核可 以持久地懸浮 但h a r v e y 模型能更好地解釋實(shí)驗(yàn)所觀察到的所有現(xiàn)象 而無 須做出任何的假設(shè) 高秋生 9 應(yīng)用熱力學(xué)原理 對(duì)氣泡核子作了進(jìn)一步探討 并得出在平面平 衡條件下 液體內(nèi)部不可能穩(wěn)定地存在純蒸汽泡 在親水性裂隙中氣核是不可 能穩(wěn)定存在的 而在憎水性裂隙中氣核是可以穩(wěn)定存在的 近3 0 年來測核技 術(shù)有了較大的發(fā)展 各種測核方法也隨之出現(xiàn) 如超聲波法 激光散射法 l 0 和水動(dòng)力學(xué)法等 各種測量方法均汪實(shí)了氣核的存在 四川大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 1 2 空化初生 1 2 2 空化初生 嚴(yán)格說來 當(dāng)流速不變而壓強(qiáng)降低 或壓強(qiáng)不變流速增加 時(shí) 流場內(nèi) 極小區(qū)域內(nèi)偶然初次出現(xiàn)微小空穴的臨界狀態(tài)稱為空化初生 空化初生是空化 現(xiàn)象中一個(gè)很重要的發(fā)展階段 空化的出現(xiàn)將產(chǎn)生空蝕破壞 導(dǎo)致空化噪聲 從而對(duì)水工建筑物及水利機(jī)械等產(chǎn)生致命的危害 因此空化初生的研究一直是 空化研究中的一個(gè)重要課題 對(duì)于流體動(dòng)力所引起的空化初生常用初生空化數(shù)盯 來表示 根據(jù)空化數(shù) 的定義 仃 可表示為 盯 蘭i 上上 1 3 p y 式中氏 p 分別為液體未受物體擾動(dòng)的基準(zhǔn)壓力和對(duì)應(yīng)于液體溫度下的飽和 蒸汽壓力 p 為液體密度 圪為液體未受物體擾動(dòng)的基準(zhǔn)速度 上式表示了 窆化初生時(shí)靜壓力差與液體動(dòng)壓力之間的比值關(guān)系 是按照空化經(jīng)典理論所定 義的空化初生數(shù)表達(dá)式 即當(dāng)液體內(nèi)局部壓力降低到液體的飽和蒸汽壓力時(shí) 在該局部位置上就會(huì)形成 空穴 即發(fā)生了空化初生 經(jīng)典理論把液體的飽和蒸汽壓強(qiáng)視作液體發(fā)生空化的臨界壓強(qiáng) 但是近 代一一些關(guān)于空化機(jī)理的研究成果指出 液體中的 氣核 才是發(fā)生空化的內(nèi)在 機(jī)因 即液體空化的臨界壓強(qiáng)主要決定于氣核的空化靈敏度 而并不總依賴于 飽和蒸汽壓強(qiáng) 許多實(shí)驗(yàn)證明 空化的初生并不是發(fā)生在液體壓力降到飽和蒸 汽壓時(shí) 例如 有關(guān)實(shí)驗(yàn)證明在其它條件不變時(shí) 當(dāng)液體中含有數(shù)量較多的大 尺寸氣核時(shí) 空化將提前發(fā)生 即此時(shí)的初生空化數(shù)盯 值增大了 而當(dāng)液體 中的氣核尺寸較小時(shí) 空化就延遲發(fā)生 即初生空化數(shù)盯 值變小了 這種初 生空化數(shù)a 隨氣核變化所引起的離散 是造成初生空化尺度效應(yīng)的重要因 素 所以經(jīng)典的空化理論 實(shí)際上并非總是適用的 對(duì)于氣核和水質(zhì)對(duì)空化初 i 影響 一些研究者進(jìn)行了理論與實(shí)驗(yàn)研究 夏維洪對(duì)水質(zhì)和空化的尺度效應(yīng) 之間的關(guān)系進(jìn)行了研究 對(duì)模型數(shù)據(jù)引伸到原型提出一些具體建議 黃景 泉等人考察了液體中自由氣核的成份及尺度對(duì)空化現(xiàn)象的影響f l 厶 j k e l l e r 和 l 概論 楊志明等人在研究初生空化與液體抗拉強(qiáng)度的關(guān)系時(shí) 提出了 零抗拉強(qiáng)度 的概念 并通過循環(huán)水洞對(duì)空化靈敏度儀進(jìn)行校正 進(jìn)而對(duì)空化實(shí)驗(yàn)用水的抗 拉強(qiáng)度進(jìn)行了測定 考慮水體抗拉強(qiáng)度時(shí)的空化實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 初生空化數(shù)與 水的抗拉強(qiáng)度存在一定的關(guān)系 1 4 15 為此建議采用表達(dá)式 墾 孕 二 衛(wèi) 1 4 l p y 2 作為初生空化數(shù) 式中p 為實(shí)驗(yàn)條件下實(shí)測的液體抗拉強(qiáng)度 m 為試件的模 型系數(shù) 它與試件的流體力學(xué)特性有關(guān) 實(shí)際工程應(yīng)用中 由于初生空化數(shù)的離散度較大 通常采用消失空化數(shù) 來描述空化的產(chǎn)生 即在流場中出現(xiàn)初生空化以后 進(jìn)一步降低壓強(qiáng)或提高流 速使流場中出現(xiàn)比較嚴(yán)重的空化狀態(tài) 然后逐步提高壓強(qiáng)或降低速度 空化區(qū) 的范圍逐漸縮小 至某一空化數(shù)時(shí) 在壓力最低點(diǎn)附近間歇性空泡趨于消失 與此對(duì)應(yīng)空化數(shù)稱為消失空化數(shù) 用 來表示 根據(jù)經(jīng)典的空化理論定義 盯 的表達(dá)式為 盯 掣 1 5 妻p 屹 2 一 式中p 為空穴消失時(shí)的p 值 為空穴初生及消失時(shí)的k 值 顯然 當(dāng) 盯 盯 或盯 吧時(shí) 無空穴從而無空化發(fā)生 當(dāng)盯 盯 或盯 時(shí) 空化 發(fā)生 盯值越小則空化的程度越大 由此可見 空化數(shù)以及初生空化數(shù)或消失空化數(shù)是判別空化發(fā)生與否以 及確定空化程度的重要參數(shù) 許多實(shí)驗(yàn)表明 初生空化數(shù)是個(gè)隨機(jī)數(shù) 其重復(fù)性不如消失空化數(shù) 在 一般情況下 盯 o 二者之差隨著比和模型尺寸的加大而減小 判斷空化初生的方法主要有以下幾種 1 目測法 用肉眼觀察流場內(nèi) 部是否有空穴發(fā)生 2 噪聲法 探測流場內(nèi)空泡初生時(shí)發(fā)出的超聲波來判 斷空化初生 1 6 1 7 1 3 光學(xué)法 根據(jù)光電池接收到的通過流場的光量的減弱 來判斷空化初生 4 y 射線法 利用水與空泡對(duì)y 射線的吸收能力來測 四川大學(xué)t 學(xué)碩士學(xué)位論文 量空化初生 1 9 1 5 全息攝影法 利用激光對(duì)水中空泡形象進(jìn)行攝影來分析 空化初生 6 紋影法 利用水加溫后 水與空泡在光源照射下不同的紋影 來判斷空化初生 1 2 2 空化的分類 r t k n a p p 2 0 1 綜合空化發(fā)生的條件和空化的主要物理特性把空化大致 分成以下幾類 游移空化 固定空化 漩渦空化 振蕩空化以及運(yùn)動(dòng)物體上的 空化等 游移空化是一種由單個(gè)的瞬態(tài)空穴或空泡組成的空化現(xiàn)象 這些空穴或在 液體中形成 并隨液體內(nèi)部的移動(dòng)而膨脹 收縮 潰滅 這種游移的瞬態(tài)空泡 可能沿著固定邊界的低壓點(diǎn)出現(xiàn) 或在液體內(nèi)部的移動(dòng)漩渦核心或紊動(dòng)剪切場 的高紊動(dòng)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn) 這種空穴的 游移 是區(qū)別于其它瞬態(tài)空化的標(biāo)志 對(duì) 于肉眼而言 游移空化可能呈現(xiàn)為準(zhǔn)恒定的包圍著的空化區(qū) 固定空化是指初生空化的臨界狀態(tài)以后有時(shí)發(fā)展的狀態(tài) 那時(shí)水流從潛體 或過流通道的固體邊界脫離 形成附著在邊界上的空腔或空穴 固定空化有時(shí) 呈現(xiàn)為具有強(qiáng)烈紊動(dòng)的沸騰表面 固定型空化發(fā)生在邊壁上壓強(qiáng)近于蒸汽壓強(qiáng) 或臨界抗拉強(qiáng)度 處 由于該處發(fā)生局部空化使流體脫流而形成了固定型空 化的空腔 漩渦空化可發(fā)現(xiàn)在高剪切區(qū)形成的漩渦核心中 這種空化可能出現(xiàn)為游移 空化或固定空化 由于漩渦核心中的壓強(qiáng)最低 而且漩渦使卷入核心的氣核可 以較長時(shí)間處于低壓區(qū)中 所以在漩渦中心可以首先形成空化 漩渦空化的空 化特性與漩渦的強(qiáng)度密切相關(guān) 典型的漩渦空化為螺旋漿的梢渦空化 t i p c a v i t a t i o n 平板閘門槽中和消力墩后的繞流空化等 振蕩型空化又稱為無主流空化 其特點(diǎn)是一般不發(fā)生在流動(dòng)的液體中 水 體可以經(jīng)受多次循環(huán)過程 在振蕩空化中 造成空穴生成和潰滅的作用是水體 所承受的一系列連續(xù)的高頻壓強(qiáng)脈動(dòng) 這種高頻脈動(dòng)可以由淹沒在水中的物體 表面振動(dòng)所形成 這些壓力脈動(dòng)是由于 潛沒表面沿其法向振動(dòng) 從而在液體 中產(chǎn)生壓力波 除非壓力變化幅度大到足以引起壓力降低到或低于液體的蒸汽 壓力 否則無空穴形成 因振蕩的壓力場是此類空化的主要特征 對(duì)振蕩型空 概論 化的研究可以分為兩個(gè)方面 一是產(chǎn)生脈動(dòng)壓強(qiáng)場的振動(dòng)物體表面的特征和由 此產(chǎn)生的波譜 二是脈動(dòng)壓力場對(duì)液體和所產(chǎn)生的空穴的影響 水流中的空化 和在靜水中運(yùn)動(dòng)的物體上的空化之間并無本質(zhì)上的區(qū)別 兩者問顯著的區(qū)別是 靜水中的紊動(dòng)度較低 而水流中的紊動(dòng)度較高 1 2 3 空化強(qiáng)度 空化強(qiáng)度的一般定義為水流空穴數(shù)小于突體初生空穴數(shù)的差值與初生空 穴數(shù)比值 是一個(gè)很難定量的參數(shù) s t i n e b r i n g 曾觀測到 當(dāng)水流空化數(shù)盯相 對(duì)于初生空化數(shù)減小時(shí) 空蝕速率緩慢地增大 如水流空化數(shù)繼續(xù)降低到菜一 區(qū)域 則空蝕速率 以每平方厘米每秒鐘出現(xiàn)的蝕坑數(shù)計(jì)算 反比于空化數(shù) 如空化數(shù)再繼續(xù)下降 就會(huì)達(dá)到空蝕速率為最大值的一點(diǎn) 此后 空化數(shù)若進(jìn) 一步下降 由于其它原因 空蝕率將跟之下降 由此可見 當(dāng)空化數(shù)降低到低 于初生空化數(shù)以下時(shí) 空化強(qiáng)度開始在逐漸增大 以后又逐漸減小 c o l g a t e 也提出一條關(guān)于空蝕強(qiáng)度隨空化數(shù)下降 周圍壓力降低 而變化 的類似曲線 總蝕損曲線上的最大值并不與空蝕強(qiáng)度的最大值相重合 此外 他還指出當(dāng)空化數(shù)下降時(shí) 破壞面積將繼續(xù)加大 因?yàn)殡S著空化數(shù)降低 蝕損 速率增大 空化云也增長 但是空化云長度對(duì)流速的改變十分敏感 所以當(dāng)初 生空化數(shù)同水流空化數(shù)之差增加時(shí) 空蝕區(qū)的長度就越來越大 于是 雖然按 每平方厘米每秒產(chǎn)生的空蝕坑個(gè)數(shù)所表示空化強(qiáng)度可能減小 而被蝕耗的材料 總量實(shí)際卻是增加的 空蝕強(qiáng)度約與流速的5 7 次方成正比 空蝕的輕重還 與水流空化數(shù)小于突體初生空化數(shù)的多少有關(guān) 同一流速 空化強(qiáng)度小 則空 蝕破壞輕 空化強(qiáng)度大 則空蝕破壞重 如果空化強(qiáng)度與流速均很大 則將造 成嚴(yán)重的空蝕破壞 在水工建筑物上這種破壞可使厚1 2 m 的鹼襯砌穿透 使 基巖受到?jīng)_刷 使普通襯砌遭受大面積破壞 1 2 4 空化的后果 空化的后果主要有以下五種 1 空蝕 一 塑業(yè)查蘭 蘭嬰主蘭墮堡蘭 在發(fā)生空化的液流中 含有許多空穴 當(dāng)空穴潰沒和回彈再生時(shí) 會(huì)產(chǎn) 生巨大的壓強(qiáng) 如果潰沒的空穴靠近過流的固體邊界 則固體邊界就會(huì)剝蝕破 壞 這種因空化而導(dǎo)致的固體邊界的剝蝕稱為空蝕 人們發(fā)現(xiàn) 空化能剝蝕各 種固體 橡皮 塑料 混凝土 玻璃及其他非金屬固體都可能遭受空蝕破壞 至于金屬 無論是軟的還是硬的 脆性的還是延性的 在化學(xué)上是活性的還是 惰性的都不例外的可以受到不同程度的空蝕破壞 在1 9 世紀(jì)后期 因船舶應(yīng)用螺旋槳從而引起水的相對(duì)高速流動(dòng) 導(dǎo)致螺 旋槳的空蝕破壞 這是人們?cè)趯?shí)踐中最先發(fā)現(xiàn)的空蝕現(xiàn)象 此外在水輪機(jī) 水 泵以及水工建筑物上相繼發(fā)現(xiàn)空蝕破壞 空蝕是最為引人關(guān)注和研究的課題 2 空化振蕩 空化可導(dǎo)致液體產(chǎn)生脈動(dòng)力 如果這種脈動(dòng)力的某一頻率范圍分量與固 體設(shè)備的自振頻率相吻合 即會(huì)激起振動(dòng) 例如 空化可能激發(fā)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪或 水泵葉輪的振動(dòng) 空化激振的頻率一般比較高 起變化范圍為每秒幾百周至幾 千周 3 空化噪音 液體發(fā)生空化時(shí) 從空穴初生 發(fā)育到潰沒等各個(gè)階段均伴隨著頻率各 異的 不同于一般液流噪聲的空化噪聲 聲輻射在空穴初生和發(fā)育階段較小 而在潰沒時(shí)則很強(qiáng) 水力機(jī)械及水工建筑物中高速空穴流的空化嗓聲 其頻率 覆蓋很寬 從次聲頻直至超聲頻 其聲頻低時(shí)僅幾赫茲 而高時(shí)則可達(dá)十兆赫 茲 人耳可聞的空化噪聲 輕時(shí)為或咝咝作響或噼啪可聞 大時(shí)則猶如巨雷炸 裂 有時(shí)也會(huì)污染環(huán)境從而對(duì)周圍的人產(chǎn)生損害 4 流水動(dòng)力作用的改變 當(dāng)液流中產(chǎn)生空穴形成空穴流后 液流由原來的液相轉(zhuǎn)變?yōu)橐?汽二 相 從而導(dǎo)致液體與其邊界之間的動(dòng)力作用發(fā)生變化 在多數(shù)情況下 空化的 發(fā)生會(huì)增加液流的總阻力 空化發(fā)生后 水輪機(jī)的出力和效率會(huì)降低 同樣水 泵的揚(yáng)程和效率也會(huì)降低 水力機(jī)械效率的降低井非當(dāng)空化一開始時(shí)就立即產(chǎn) 生 而是當(dāng)空化充分發(fā)展 亦即當(dāng)仃較盯 小到一一定的程度時(shí)效率開始明顯降 低 即 當(dāng)空化初生盯 仃 時(shí) 即空化階段 葉片效率并無下降 當(dāng)空化程 度達(dá)到空化階段 盯 o 時(shí) 空化噪音和空化激振都加強(qiáng) 但效率的下降仍 1 概論 不明顯 直到空化充分發(fā)展盯 盯 時(shí) 即空化階段 效率才開始急劇下 降 此外 由于空化的水動(dòng)力影響 空化還會(huì)導(dǎo)致文丘里水表 孔口 管咀 以及堰等的流量系數(shù)發(fā)生改變 5 空化閃光 空化潰沒時(shí)可能閃光 此種閃光稱為空化閃光 1 9 6 4 年賈曼 j a r m a n 和泰勒 t a y l o r 在文丘里管中觀察到了空化水流的發(fā)光 2 1 1 這種水流空蝕空 化閃光的強(qiáng)度與聲波激發(fā)的空化閃光的強(qiáng)度相比 大約要低5 0 0 倍 關(guān)于閃光 的機(jī)理 迄今還不太清楚 有的認(rèn)為空泡潰沒時(shí) 由于熱而分解的分子重新進(jìn) 行光化結(jié)合而閃光 有的設(shè)想空化閃光是一種電化學(xué)作用 而賈蔓等認(rèn)為空化 閃光主要是由于潰沒空穴中所含的蒸汽 氣體和微量殘余雜質(zhì)因高溫而發(fā)光 以上所述的五種空化后果 除空化閃光外 其它四種后果一般都是有害 的 這也是空化現(xiàn)象之所以受到人們關(guān)注的主要原因 當(dāng)然 空化現(xiàn)象也有其 可以利用的一面 如空化摻混 空化洗滌 空化采掘以及空化成型等 此外 利用空化噪聲制成的轟鳴器也己成功地作為海底回聲測深儀的聲源 1 3 空化初生的影響因素 由于研究空化初生目前大多采用物理模型進(jìn)行試驗(yàn)來確定 借助于試驗(yàn) 成果 優(yōu)化設(shè)計(jì)體型或預(yù)報(bào)原型中可能出現(xiàn)空化的工況 由于空化水流不再是 連續(xù)介質(zhì) 當(dāng)空泡潰滅時(shí) 周圍水體擁向潰滅空泡的水流速度非常大 可以和 水中傳播的聲速相比 因此 對(duì)于這種水流還需要另一準(zhǔn)數(shù) 即馬赫數(shù)來考慮 相似問題 此時(shí)水體己不能當(dāng)作不可壓縮流來處理 但到目前為止 在減壓模 型試驗(yàn)中 無法完全地真實(shí)模擬原型中的一些影響因素 如水質(zhì) 氣核含量和 分布 液體粘滯性 表面張力 泥沙含量等 使得通過物理模型試驗(yàn)所得的 結(jié)果與真實(shí)情況存在著很大的差異 存在著嚴(yán)重的 比尺效應(yīng) 比尺效 應(yīng) 包含了眾多的影響因素 例如 同一物體在同一設(shè)備中 但在不同的水質(zhì) 條件下 如水中的氣核含量 溶解氣體的含量不同 進(jìn)行試驗(yàn) 測得的初生空 化數(shù)會(huì)存在一定的差異 同一物體 相同的水質(zhì) 在不同的流速下所測得的初 生空化數(shù)也有一定的差異 不同尺寸的相似物體在相同的試驗(yàn)條件下測得的空 9 四川太學(xué)t 學(xué)碩士學(xué)位論文 化數(shù)差異更大的相象 因此深入探討空化初生過程的影響條件對(duì)于空化初生的 研究具有重要的意義 從空化產(chǎn)生的條件可知 影響水中空化產(chǎn)生與發(fā)展的主要因素是流動(dòng)邊 界形狀 絕對(duì)壓強(qiáng)及與壓強(qiáng)相關(guān)的流速 此外 液體粘性 來流紊流度 表面 張力 邊壁表面條件 水流中含氣量及氣核分布 壓力分布和脈動(dòng)壓力 高分 予聚合物 熱力學(xué) 雜質(zhì)含量及時(shí)間滯后等都有一定影響 下面分別述之 1 3 1 液體粘性的影晌 液體粘性的影響實(shí)際上是雷諾數(shù)的影響 粘性對(duì)于空化初生的影響是 p a r k i n 和k e r m e e n 首先提出 粘性不只是影響邊界層分離的主要原因 而且對(duì) 空化初生也有重要影響瞄 粘性或雷諾數(shù)影響邊界層的分離 因而影響壁面 上最小壓力點(diǎn)的位置 即影響空化初生的位置 在邊界層中 層流直接轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪骰蚴菍恿鞣蛛x后再附著在繞流物體壁 上 均與水的粘性有關(guān) 這兩種流動(dòng)形態(tài)所產(chǎn)生的壁而上的最小壓強(qiáng)點(diǎn)也不一 樣 隨粘性或者雷諾數(shù)的不同 在物體邊壁上發(fā)生空化的位置顯然也不相同 對(duì)于紊流邊界層 其位移厚度遠(yuǎn)比層流邊界層為小 故橫貫邊界層的壓 強(qiáng)梯度和壓強(qiáng)的變化都要小些 但隨著紊動(dòng)而出現(xiàn)的壓強(qiáng)脈動(dòng)對(duì)空化初生的影 響則不可忽略 對(duì)于尾流射流而言 空化現(xiàn)象首先出現(xiàn)在因分離所引起的剪切層的表 面 雷諾數(shù)大時(shí) 尾流和射流的剪切層都是紊流剪切層 故紊流度或雷諾數(shù)將 對(duì)空化初生產(chǎn)生顯著影響 國內(nèi) 黃繼湯等人1 2 3 j 利用高速攝影技術(shù) 1 0 0 0 0 0 幅 秒 在不同粘性液 體中對(duì)電火花放電造成的空泡膨脹及壓縮過程的觀測表明 液體粘性對(duì)空泡歷 時(shí) 空泡半徑 泡壁的速度及加速度等均有影響 由于受液體粘性的影響 空 泡膨脹或壓縮時(shí) 其過程都明顯變緩 在空泡膨脹初期 液體粘性影響不甚明 顯 愈到膨脹后期 受粘性影響過程變緩的現(xiàn)象愈明顯 當(dāng)液體粘性極大時(shí) 空泡壓縮現(xiàn)象不明顯 液體愈粘粘滯度的變化對(duì)空泡壓縮過程的影響愈小 空 泡的生命周期 膨脹及壓縮的總歷時(shí) 隨粘滯系數(shù) 值的增加而增加 空泡在 膨脹過程中 同樣的相對(duì)瞬時(shí)下 隨著粘滯度的增大 膨脹加速度也增大 在 概論 空泡潰滅前 收縮加速度的差別非常大 且隨粘滯系數(shù) 值的增加而明顯減 小 值愈小 達(dá)到最大加速度的歷時(shí)愈短 1 3 2 來流紊流度的影響 來流紊流度的大小直接影響繞流物體周圍流場的流動(dòng)特性 特別是對(duì)邊 界層內(nèi)有層流分離的繞流物體來說 影響更大 大的紊流度可使層流分離推 遲 在不同來流紊流度的水洞中 對(duì)同一個(gè)繞流物體做空化初生的實(shí)驗(yàn) 結(jié)果 差別很大 顯然 大的來流紊流度可以使繞流物體周圍的流場中各點(diǎn)的壓強(qiáng)脈動(dòng)增 大 這樣 水流中的某些點(diǎn)上低于產(chǎn)生空化臨界壓強(qiáng)的幾率就會(huì)增加 易發(fā)生 空化 考慮粘性與來流紊流度的綜合影響情況就復(fù)雜得多 這是因?yàn)橐后w粘性 影響邊界層的發(fā)展 而邊界層對(duì)空化初生具有重要的影響 粘性與來流紊流度 的綜合影響可通過雷諾數(shù)r e 來表示 實(shí)驗(yàn)表明 2 4 l 對(duì)不同類型的繞流體r e 的 影響是不同 對(duì)于流線型繞流體 不易發(fā)生邊界層分離 r e 越大水流紊動(dòng)越 強(qiáng) 低壓區(qū)范圍越大 氣核在低壓區(qū)生長的時(shí)間越長 因而越有利于空化 在 很大的r e 范圍內(nèi)初生空化數(shù)盯 隨r e 的增大而升高 對(duì)于鈍體 當(dāng)雷諾數(shù)r e 較低時(shí) 邊界層尚未分離或剛開始分離 在這一范圍內(nèi)r e 的影響和流線型繞 流體相似 在r e 較低時(shí) 初生空化數(shù)盯 隨r e 的升高而劇增 但當(dāng)r e 超過一 定臨界值后 初生空化數(shù)盯 基本不隨r c 變化 當(dāng)r e 達(dá)到一定值后 邊界層充 分分離 產(chǎn)生一個(gè)范圍足夠大的低壓區(qū) 在該低壓區(qū)內(nèi)平均壓強(qiáng)接近相等 氣 核有足夠的時(shí)間生長 因而很容易空化 此后再增大r e 對(duì)最低壓力系數(shù)c 及脈動(dòng)壓強(qiáng)影響不大 鈍體一般都有一個(gè)明顯的邊界層轉(zhuǎn)變的臨界r e 數(shù) 在 邊界層轉(zhuǎn)變時(shí) 平均壓力及脈動(dòng)壓力都有一個(gè)突變 因而對(duì)應(yīng)的初生空化數(shù) 盯 也產(chǎn)生突變 1 3 3 表面張力的影響 根據(jù)空泡動(dòng)力學(xué)方程可知 液體的表面張力對(duì)空泡膨脹與收縮過程的影 響是明顯的 表面張力愈大的液體中空泡能達(dá)到的最大直徑愈小 表面張力加 1 1 四川大學(xué)丁學(xué)碩士學(xué)位論文 速了空泡的收縮過程 對(duì)其膨脹過程起了延緩作用 空泡初生后很短時(shí)間內(nèi) 泡壁速度即可達(dá)到最大值 一般說來 在空泡潰滅以前 表面張力愈小的液體 中 空泡的速度所能達(dá)到的最大值愈大 工程實(shí)際中固壁附近空化氣泡尺寸往 往都比較小 氣泡潰滅生成射流后 氣泡局部地方的曲率會(huì)變得很大 故在這 些地方氣泡表面張力的影響可能會(huì)比較重要 1 3 4 水流中含氣量及氣核分布的影響 空化初生的實(shí)驗(yàn)大部分在循環(huán)水洞中進(jìn)行 實(shí)驗(yàn)時(shí)一 般將水流流速固 定 再降低水洞中的壓強(qiáng)直到模型上某點(diǎn)出現(xiàn)空化時(shí)為止 這時(shí)算出的空化數(shù) 即為初生空化數(shù)盯 由于時(shí)間滯后及其它因素的影響 實(shí)驗(yàn)得到的盯 值重復(fù) 性較差 為了克服這一缺點(diǎn) 用消失空化數(shù)盯 來作為空化初生的標(biāo)志 實(shí)驗(yàn) 表明 的重復(fù)性較好 這種差別稱為 殘跡現(xiàn)象 一般說來 當(dāng)水流流速和模型尺寸加大時(shí) q 和 的差別減小 實(shí)驗(yàn) 時(shí) 當(dāng)系統(tǒng)壓強(qiáng)降低以后 如能使水體靜置異端時(shí)間 使水中的含氣量趨于穩(wěn) 定后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 則也可使仃 及 的差別減小 這說明殘跡現(xiàn)象與水中的氣 核狀況有關(guān) 殘跡現(xiàn)象 時(shí)間滯后以及由于模型和水流參數(shù)的模擬所引起對(duì)空化初生 觀測結(jié)果的差異 都與原型及模型中水體的含氣量有關(guān) 早期對(duì)含氣量的研究 只限于含氣總量t 2 或相對(duì)含氣量c t c t 此處口 為飽和含氣量 近年來 大 量實(shí)驗(yàn)表明只研究含氣總量不能很好地解釋上述差異的原因 還必需對(duì)水流中 的含氣核特性 流動(dòng)氣核還是表面氣核 以及核譜特性進(jìn)行研究 h o l l 于1 9 6 8 年曾報(bào)道過 2 5 j 他們對(duì)半球形頭部繞流物體表面影響的研究結(jié) 果 結(jié)果表明 在有聚四氟乙烯涂層的模型上 殘跡現(xiàn)象微不可見 而在不銹 鋼模型 不銹鋼表面打蠟?zāi)Ｐ鸵约安Ａе频哪Ｐ蜕暇忻黠@的殘跡現(xiàn)象 這些實(shí)驗(yàn)表明 氣核確實(shí)影響著空化的初生 r i p k e n 和k i l l e r 在他們的 1 5 倍直徑彈頭的實(shí)驗(yàn)中 2 6 發(fā)現(xiàn) 當(dāng)流速固定時(shí) 己知物體的盯 值隨著含氣量 的增加而增大 他們還發(fā)現(xiàn) 如果含氣量小而不變時(shí) 盯 值隨流速的增加而 增大 1 概論 水中含有的大量氣核使得水的抗拉強(qiáng)度大大降低 空化初生對(duì)氣核的分 布非常敏感 但是 氣核分布相似問題的研究是相當(dāng)困難的 由于目前還沒有 完善的測核儀器 而且所掌握的氣核對(duì)空化初生影響的資料也不夠完善 故還 沒有定量的規(guī)律性的成果可供使用 一般的默認(rèn)的規(guī)律是 在同一設(shè)備中做同 一模型的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)時(shí)要求氣核的含量不變 在不同設(shè)備中進(jìn)行比較實(shí)驗(yàn)時(shí)也 要求氣核含量不變 1 3 5 邊壁表面條件的影響 1 壁面粗糙度的影響 壁面粗糙度對(duì)空化初生和發(fā)展的影響在工程上十分重要 一般來講 粗 糙壁面要比光滑壁面上空化初生偏早 這是由于在粗糙凸起后面的流動(dòng)發(fā)生分 離 從而使負(fù)壓脈動(dòng)增加 導(dǎo)致空化初生偏早 通常壁面上的孤立型突體會(huì)引 起突體附近產(chǎn)生局部高速流和高紊動(dòng) 勻布型的突體一般可在水體的邊界層范 圍內(nèi)普遍地改變其流速和紊流度 但m e n t x in i e 卅認(rèn)為 粗糙的表面可以減 少糙化斷面下游的壓力降 從而降低空化發(fā)生 減小空蝕破壞的可能性 在具 體工程中 在溢流壩下游反弧面上加糙 可降低反弧段下游切點(diǎn)的空蝕破壞程 度 此外 壁面的粗糙度還將改變氣核的發(fā)育過程和環(huán)境 2 壁而的浸潤性影響 2 0 世紀(jì)6 0 年代末到7 0 年代初 美國賓夕法尾亞大學(xué)應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)室和 荷蘭的船模實(shí)驗(yàn)所等單位進(jìn)行的關(guān)于物體壁面條件對(duì)空化初生影響的實(shí)驗(yàn)研究 結(jié)果表明 用尼龍 聚四氟乙烯 聚乙烯等疏水性材料制造的模型的初生空化 數(shù)普遍比用不銹鋼 玻璃等親水性材料制造的模型的初生空化數(shù)高 并且這兩 類材料制造的模型其空化殘跡現(xiàn)象也有明顯的差別 這是由于用疏水性材料制 造的模型 其空化初生主要是表面氣核的作用 麗用親水性材料制造的模型 其空化初生主要是流動(dòng)氣核起主導(dǎo)作用 1 3 6 壓強(qiáng)分布及脈動(dòng)壓力的影響 由于空化是液體的局部壓力降到臨界壓力時(shí)發(fā)生的 因此壓力場的分布 直接影響到空化的初生 a r a k e r i 用安裝在模型表面的壓力傳感器來測量壁面 1 3 四j 人掌工學(xué)碳士學(xué)位論文 壓力的脈動(dòng) 以便確定物體壁面的壓力脈動(dòng)對(duì)空化初生的影響 實(shí)驗(yàn)表明流場 中任意一點(diǎn)的壓力與脈動(dòng)壓力之和小于臨界壓力 空化就會(huì)發(fā)生i 孫 v a nd e r w a l l e 認(rèn)為 2 9 l 有些請(qǐng)況下 物體壁面上的逆向壓強(qiáng)梯度很大 氣核易穩(wěn)定在物 體表面上而成為表面氣核 而當(dāng)物體壁面上的逆向壓強(qiáng)梯度小時(shí) 氣核不易穩(wěn) 定在邊壁的裂縫內(nèi) 這時(shí)流動(dòng)氣核對(duì)空化起主要作用 而流動(dòng)氣核穿過低壓區(qū) 的歷時(shí)較短 所以空化所經(jīng)歷的歷時(shí)短 而表面氣核則有充分的時(shí)間發(fā)育 膨 脹 囊新明 鄭國華對(duì)六種不平整突體在正負(fù)壓力梯度狀況下的初生空化數(shù) 進(jìn)行了試驗(yàn)研究和理論分析 3 0 j 得出 同一突體在負(fù)壓力梯度狀況下的初生空 化數(shù)高于正壓力梯度狀況下的初生空化數(shù) 對(duì)于非流線型突體 在負(fù)壓力梯度 狀況f 空化初生時(shí)的壁面脈動(dòng)壓力強(qiáng)度低于難壓力梯度狀況下的脈動(dòng)壓力強(qiáng) 度 在動(dòng)水壓力的作用下 氣核將交替地膨脹和收縮 當(dāng)氣核半徑超過其臨界 半徑時(shí) 氣泡將失穩(wěn)并產(chǎn)生漬滅 高速水流具有強(qiáng)烈的紊動(dòng)性 脈動(dòng)壓力負(fù)峰 降低了瞬時(shí)壓力 促使空化的提前產(chǎn)生 水流壓力梯度的改變表征了壓力場的變化 壓力梯度的變化不僅直接影 響時(shí)均壓力和脈動(dòng)壓力的變化 而且也影響邊界層的發(fā)展和流速分布 從而對(duì) 空化產(chǎn)生影響 在正壓力梯度狀況下邊界層厚增長較快 在負(fù)壓力梯度狀況下 邊界層發(fā)展緩慢 水流從正壓力梯度轉(zhuǎn)變至較大負(fù)壓力梯度時(shí) 將產(chǎn)生紊流邊 界層的重新附著 使褥邊界層厚度減薄隸流速的重新分布 在這種情況下水流 的壓力降低 加之在紊流邊界層重新附著區(qū)具有較大的脈動(dòng)壓力強(qiáng)度 因而在 這種狀況下水流易發(fā)生空化 蔡茂龍等 3 l 根據(jù)氣泡動(dòng)力學(xué) 分析了脈動(dòng)壓力 對(duì)不平整突體空化初生的影響 認(rèn)為由于脈動(dòng)壓力的影響 氣核發(fā)育的時(shí)間明 顯縮短 加速了空化的產(chǎn)生 通?？栈某跎紫劝l(fā)生在邊界層中 特別是在 紊流的過渡區(qū)和分離邊界層的重新附著區(qū) 具有強(qiáng)烈的壓力脈動(dòng) 脈動(dòng)壓力的 變化受水流壓力梯度的影響較大 不同狀況下的水流壓力梯度 對(duì)突體空化初 生的影響程度是不同的 胡明龍對(duì)溢流壩下游反弧段進(jìn)行空化特性研究表明1 3 水流壓力低于飽 和蒸汽壓力時(shí) 氣核丌始增長 而壓力呈現(xiàn)周期脈動(dòng)時(shí) 也會(huì)使氣核增長 這 種生長機(jī)理與周期性脈動(dòng)引起氣核半徑的非線性效應(yīng)有關(guān) 困為隨脈動(dòng)壓力周 1 概論 期性變化 氣核中空氣濃度也在不斷變化 紊流非線性脈動(dòng)引起泡內(nèi)氣體擴(kuò)散 作用 促使氣核增長 這就是紊流脈動(dòng)對(duì)空化的效應(yīng) 1 3 7 高分子聚合物的影響 e l l i s 3 3 等人對(duì)這一問題進(jìn)行了研究 在水洞中摻加5 0 p p r a 百萬分之 一 的高分子聚合物w s r 3 0 1 以后 幾種不銹鋼半球頭模型的初生空化數(shù)都 明顯減小 其中個(gè)別的甚至下降了4 5 他推測這可能是由于水的粘彈性作 用使空化數(shù)減小 v a nd e rm e u l e n 3 4 用不銹鋼和聚四氟乙烯制成的軸對(duì)稱半球頭體進(jìn)行實(shí) 驗(yàn) 所用高分子聚合物為w s r 3 0 1 結(jié)果表明高分子聚合物使不銹鋼模型的 初生空化數(shù)減小了約3 0 他分析是聚合物對(duì)邊界層流態(tài)的影響 抑制了邊 界層中的脈動(dòng)現(xiàn)象 從而導(dǎo)致初生空化數(shù)明顯減小 h o y t 3 5 6 研究指出 在水中摻加少量高分子聚合物使空化受到抑制的原因 與水的表面張力 空氣含量 氣核個(gè)數(shù) 粘性以及抗拉強(qiáng)度等物理性質(zhì)影響無 關(guān) 應(yīng)從水的動(dòng)力特性去找原因 h o l l 3 7 等人的研究表