空化初生機(jī)理及比尺效應(yīng)研究.pdf

1、本文在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，理論分析研究了空化初生機(jī)理和水中氣核及脈動壓力對空化初生的影響；試驗研究了不同流速、不同臺階高度的突擴(kuò)式后臺階管流的初生空化特性；用紊流混合模型和k～ε結(jié)合變密度方程分別對突擴(kuò)式后臺階三維管流的初生空化進(jìn)行了數(shù)值模擬；提出了進(jìn)行空化試驗時必須考慮的基本原則和措施等。主要研究內(nèi)容和成果如下： 1.研究表明：水中氣核沒有達(dá)到絕對飽和狀態(tài)之前，模型水體中氣核應(yīng)遵循λ31的相似規(guī)則；達(dá)到絕對飽和之后，氣核

2、密度不再是一個重要的參數(shù)，不再需要遵循λ31的相似規(guī)則，模型和原型之間自動實現(xiàn)相似。 2.建立了氣核初始半徑和水體抗拉強(qiáng)度的經(jīng)驗關(guān)系式，建議計算初生空化數(shù)時考慮水體抗拉強(qiáng)度的影響。分析了水中空氣含量對旋渦空化的影響，得出初生空化數(shù)和水中氣體含量之間的關(guān)系式。 3.分析研究了氣核數(shù)量對空化類型和初生空化數(shù)的影響，以及水中氣核成分對空化現(xiàn)象的影響。得出了氣核狀態(tài)對泡狀空化的初生空化數(shù)有較大影響，氣核含量對片狀空化的初生空化數(shù)

3、幾乎沒有影響，梢渦空化的初生空化數(shù)對氣核狀態(tài)極為敏感；以及氣泡的發(fā)育與氣泡中氣體的密度、擴(kuò)散系數(shù)等有關(guān)，故不同的氣核成份會導(dǎo)致不同的空化過程等結(jié)論。 4.研究了脈動壓力對空化初生的影響，對其機(jī)理進(jìn)行了分析，揭示了脈動壓力促使空化提前發(fā)生的原因，得出了考慮脈動壓力項的初生空化數(shù)計算公式的概化模型。 5.根據(jù)N-S方程推導(dǎo)了脈動壓力的模型相似準(zhǔn)則，得出在強(qiáng)紊動區(qū)，脈動壓力滿足重力相似準(zhǔn)則；但在平順邊界上的水流脈動，脈動壓力不

4、符合重力相似準(zhǔn)則的結(jié)論。 6.首次在高速水流(18.0m/s～45m/s)條件下對突擴(kuò)體型進(jìn)行了常壓空化試驗，得出了不同臺階高度、不同流速條件下的初生空化比尺經(jīng)驗公式。結(jié)果表明，Keller速度比尺修正公式對于不同體型的空化基準(zhǔn)值σ0和參考速度VRel應(yīng)是不同的；對于突擴(kuò)式后臺階流動，參考速度取VRel=55.0m/s為宜。 7.首次對突擴(kuò)空化流進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，所得的初生空化數(shù)與試驗數(shù)據(jù)較為吻合。結(jié)果表明，用混合模型

5、可以較好的模擬突擴(kuò)流的空化初生，但氣核密度對空化初生的影響較大。 8.對突擴(kuò)流的數(shù)值結(jié)果表明，當(dāng)進(jìn)口流速大于臨界值(本體型V＞5.0m/s)時，有、無空化，對突擴(kuò)段水流的速度分布影響較小，突擴(kuò)處的速度分布和流線基本相同。突擴(kuò)段臺階后的旋渦范圍僅與臺階高度有關(guān)，旋渦大小與臺階高度的二次方成正比。突擴(kuò)流的壓力最低點(diǎn)出現(xiàn)在突擴(kuò)處的臺階頂點(diǎn)和臺階后的旋渦中心。 9.采用單流體的k～ε紊流模型結(jié)合變密度方程來模擬突擴(kuò)流的空化初生，