頭型對回轉體非定?？栈鲃犹匦杂绊懙膶嶒炑芯?/h1>
2014-09-18 06:28:36胡常莉王國玉
哈爾濱工程大學學報 2014年5期 關鍵詞：區域
胡常莉，王國玉
(北京理工大學 機械與車輛學院，北京 100081)
空化現象對高速航行體在水下航行過程中的水動力特性及操縱穩定性以及噪聲特性有著重要的影響，研究回轉體的空化流動特性對工程實際應用具有十分重要的意義。Ceccio S L 等[1]通過對不同頭型軸對稱體附著空穴內的水氣阻抗測量發現了空泡體積的脈動規律。Rouse H 等[2]通過實驗的研究得到了不同頭型的回轉體表面壓力分布情況。May[3]研究了自然及通氣空化狀態下的回轉體的動力脈動特性及特征頻率與空泡形態之間的關系。Lindau等[4]通過數值計算的方法，分析了不同回轉體空化形態發展與回轉體阻力特性之間的關系，并研究了繞平頭回轉體空化流動的三維特性。Katz[5]研究了不同頭型回轉體的初生空化流動特性及其與流動分離的關系。黃彪等[6]研究了不同頭型的回轉體形態發展特征與動力瞬態特征的相關性規律。劉樺等[7]采用高速攝影技術對1/4平頭軸對稱體的空泡形態進行了實驗研究，發現空泡形態的斷裂會產生低頻脈動現象。顧巍等[8]研究了回轉體空泡流的噪聲特性和空泡界面的瞬態特征。傅慧萍等[9]用數值計算的方法研究了不同回轉體的空泡幾何特征。劉海軍等[10]通過數值模擬的方法研究了圓柱體出筒過程頭型對流體動力特性的影響。目前，對不同頭型回轉體的空穴形態發展及其流場結構特性方面還鮮有研究。
本文綜合高速全流場顯示和PIV方法，研究了平頭和半錐角為45°的錐頭回轉體在多種空化數下的空穴發展及流場結構特性并對比分析了二者的異同。
1 實驗設備及方法
實驗在一閉式循環空化水洞[11-12]進行。實驗段的基本尺寸為0.19 m×0.07 m ×0.7 m。實驗模型為平頭回轉體和半錐角為45°的錐頭回轉體，通過實驗段的上下面及前側面的透明有機玻璃窗觀察空化的流動。圖1為高速錄像系統的示意圖，實驗時，采用1.2 kW鏑燈照明，高速攝像機記錄空化發展過程中的流動演變歷程，采集速度設置為5 000 fps。圖2給出了PIV測速系統的示意圖，粒子成像測速儀(particle image velocimetry ,PIV)的基本組成包括CCD相機，激光器，同步器及光路系統、數據采集系統等。實驗時，激光器按一定的頻率發出片光并由實驗段底部射入，照亮回轉體一側流場中的粒子，同時由計算機控制CCD/CMOS照相機拍攝圖像并存儲于計算機內，然后用專業的后處理軟件對圖像進行分析計算，最終得到流場的速度分布、渦量分布、湍流場的分布等測量結果。
圖1 高速錄像觀察系統布置
實驗中，無量綱參數空化數、雷諾數定義為：
(1)
(2)
式中：p∞、U∞、ρ、ν和pv分別為回轉體頭部中心上游0.21m處參考斷面上的靜壓力、平均速度(速度剖面充分均勻)、水密度、水運動粘性系數和當地汽化壓強；D為回轉體橫截面的最大直徑。實驗時，通過真空泵調節參考斷面的壓強進而調節空化數，流速為8.5 m/s,對應的雷諾數為1.7×105。
圖2 PIV測速系統示意圖
2 實驗結果與討論
2.1 空穴形態對比與分析
圖3分別給出了平頭及錐頭回轉體在4種不同空化數下最大空穴尺度的形態對比?？梢园l現，空化數為0.9時，2種回轉體的空穴形態均以小尺度空泡呈游離狀環繞在回轉體的頭部附近。當空化數降低到0.8時，2種回轉體的空穴尺度均明顯增大，空穴基本均勻包裹著回轉體肩部的整個圓周，尤其是錐頭回轉體的肩部下游已出現似附著狀空穴薄層且空穴起始位置位于肩部稍靠后的位置，如圖3虛線框標示所示。隨著空化數的降低，空化得以進一步的發展，2種回轉體的空穴尺度均逐漸增大，且空穴界面漸變光滑清晰，呈橢球狀。
圖3 2種頭型回轉體的空泡形態對比
為了更好地研究隨著空化數的變化，2種回轉體的空穴發展特性及二者的差異，表1分別列出了2種回轉體在不同空化數下，6個不同發展周期內的最大空穴尺度值，其中，統計量為最大空穴的長度Lmax及厚度Hmax，2種尺度的定義如圖4所示。
由表1的數據可知，即使在相同的工況下，不同周期的空穴發展情況亦有所不同，因此，選用平均值作為該工況下的空穴特征尺度以分析兩種回轉體的空穴隨空化數變化規律的差異，如圖5所示，分別給出了2種回轉體的最大空穴長度均值及厚度均值隨空化數的變化曲線及各段的增長率值。由圖5可以發現，相同空化數下，平頭回轉體的最大空穴尺度均明顯大于錐頭回轉體的，尤其是最大空穴的厚度值；隨著空化數的減小，2種回轉體的最大空穴長度增長率均大于空穴厚度的增長率。
圖4 最大空穴長度及厚度的示意圖
表1 各工況下，最大空穴的長度及厚度統計表
空化流動具有非常明顯的非定常特性，圖6給出了空化數為0.7時，2種回轉體的空穴形態隨時間的演變過程。需要說明的是，圖6中挑選了2種回轉體的空穴發展周期相等的一組以更好地研究二者的空穴形態隨時間發展規律的異同。對比發現，平頭回轉體的空穴在發展的過程中出現明顯的空穴斷裂及大尺度空泡團脫落的現象，不對稱的空穴環繞在平頭回轉體的頭部附近，表現出極其不穩定的狀態；錐頭回轉體的空穴發展過程沒有平頭回轉體劇烈，空穴并沒有出現明顯的斷裂，由于空穴的厚度較薄，最大尺度的空穴逐漸被分散為無數個小尺度的空穴，隨著時間的推移這些小尺度的空穴或繼而脫落潰滅或重新融合進入下一個發展周期。
(a) 空穴長度均值
(b) 空穴厚度均值
(a) t0 (b) t0+2.2 ms
(c) t0+4.4 ms (d) t0+6.6 ms
(e) t0+8.8 ms (f) t0+11 ms
(g) t0+13.2 ms (h) t0+15.4 ms
2.2 流場對比與分析
圖7給出了各空化數下2種回轉體的時均速度u分布云圖。2種頭型的測量結果均表明，在試驗工況下繞流回轉體的流動發生分離，但相比于平頭回轉體，繞流錐頭回轉體的流動分離較小。隨著空化數的減小，2種回轉體的空穴對應的低速區域增大，分離區域也逐漸外擴，空穴厚度亦隨之增大，相比于平頭回轉體，各空化數下，錐頭回轉體的低速區域均遠小于平頭回轉體。另外，相同空化數下，相比于錐頭回轉體，平頭回轉體空穴對應的低速區域中最小速度值較小且速度梯度較大?？栈瘮抵饾u減小時，由于空化的發展加速了當地流場的動量交換，使速度趨于均勻從而低速區域的速度梯度亦有減小的趨勢。注意到，空化數為0.7時，平頭回轉體的低速區域明顯分為前后兩部分，結合圖6可知，空穴尾部大尺度空泡團的脫落演變過程正好對應于流場中后一部分的低速區域。
(a) 平頭 σ=0.9
(b) 錐頭 σ=0.9
(c) 平頭 σ=0.8
(d) 錐頭 σ=0.8
(e) 平頭 σ=0.7
(f) 錐頭 σ=0.7
(g) 平頭 σ=0.6
(h) 錐頭 σ=0.6
圖8給出了2種回轉體在不同空化數下的時均Z向渦量云圖。這里，Z向渦量定義為：ωz=?v/?x-?u/?y?？梢园l現：1)各工況下，2種回轉體的高渦量區明顯分為兩部分，一部分為肩部鄰近的下游處，流動在該處發生明顯的流動分離，此區域速度梯度較大(見圖7)，因而始終存在比其他區域更大的渦量值，另一部分是與空穴區域相對應的區域。2)隨著空化數減小，2種回轉體的空穴進一步發展，雖然高渦量區域逐漸擴大，但是渦量的最大值卻逐漸減小。3)相同空化數下，對比2種回轉體的高渦量區域特點可知，平頭回轉體的高渦量區域更大且離回轉體壁面更遠，且由于平頭回轉體的空化發展更充分，其動量交換作用較強，所以空穴內部的高渦量值要小于錐頭回轉體。
湍動能是表征流場中速度脈動的一個物理量，時均湍動能分布從一定程度上可以反映流場的穩定性，如圖9所示，由于PIV后處理軟件功能的局限性，得到了與湍動能相當量的分布云圖?？梢钥闯?，各空化數下，高湍動能區域基本對應于兩回轉體的空化區域。隨著空化數的降低，空化不斷發展，高湍動能的分布區域亦逐漸擴大。相同空化數時，平頭回轉體的高湍動能區域明顯大于錐頭回轉體且最高湍動能值也較大，由此說明平頭回轉體空化流動過程中流場波動更強烈，穩定性較差。
(a) 平頭 σ=0.9
(b) 錐頭 σ=0.9
(c) 平頭 σ=0.8
(d) 錐頭 σ=0.8
(e) 平頭 σ=0.7
(f) 錐頭 σ=0.7
(g) 平頭 σ=0.6
(h) 錐頭 σ=0.6
(a) 平頭 σ=0.9
(b) 錐頭 σ=0.9
(c) 平頭 σ=0.8
(d) 錐頭 σ=0.8
(e) 平頭 σ=0.7
(f) 錐頭 σ=0.7
(g) 平頭 σ=0.6
(h) 錐頭 σ=0.6
3 結論
分別采用高速錄像顯示技術和PIV流場測量的實驗方法，研究了繞平頭和錐頭回轉體的空化形態及流場結構特性，所得結論如下：
1)回轉體的頭型對其空穴形態隨空化數變化的發展特性有著重要的影響。相同空化數時，平頭回轉體的空穴最大尺度尤其是空穴的厚度遠遠大于錐頭回轉體的，而且平頭回轉體的最大空穴尺度隨空化數的變化率亦大于錐頭回轉體。
2)回轉體的頭型影響空穴發展的非定常性及流場的穩定性。相同空化數時，平頭回轉體空穴形態的發展表現為大尺度空泡團的脫落及融合；而錐頭回轉體則為小尺度空穴的潰滅及再融合進而潰滅，空穴的脈動遠不及平頭回轉體，且其流場的穩定性較好，因此更容易形成附著型空穴。
3)回轉體空穴形態的發展特性與流場結構密切相關。回轉體的空穴區域對應于低速高脈動區域。隨著空化數的減小，空穴對流場結構的影響越來越顯著，當地速度分布逐漸趨于均勻。
4)由2種回轉體的空化流場特性可知，空穴在回轉體肩部的分離區域內發展，隨著空化數的降低，空穴不斷發展，分離區域外擴，同時空穴內部流動脈動增強，從而導致高湍動能區域逐漸增大。
參考文獻：
[1]CECCIO S L, BRENNEN C E. Dynamics of attached cavities on bodies of revolution[J]. Journal of Fluid Engineering, 1992, 114(1): 93-99.
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胡常莉，王國玉
(北京理工大學 機械與車輛學院，北京 100081)
空化現象對高速航行體在水下航行過程中的水動力特性及操縱穩定性以及噪聲特性有著重要的影響，研究回轉體的空化流動特性對工程實際應用具有十分重要的意義。Ceccio S L 等[1]通過對不同頭型軸對稱體附著空穴內的水氣阻抗測量發現了空泡體積的脈動規律。Rouse H 等[2]通過實驗的研究得到了不同頭型的回轉體表面壓力分布情況。May[3]研究了自然及通氣空化狀態下的回轉體的動力脈動特性及特征頻率與空泡形態之間的關系。Lindau等[4]通過數值計算的方法，分析了不同回轉體空化形態發展與回轉體阻力特性之間的關系，并研究了繞平頭回轉體空化流動的三維特性。Katz[5]研究了不同頭型回轉體的初生空化流動特性及其與流動分離的關系。黃彪等[6]研究了不同頭型的回轉體形態發展特征與動力瞬態特征的相關性規律。劉樺等[7]采用高速攝影技術對1/4平頭軸對稱體的空泡形態進行了實驗研究，發現空泡形態的斷裂會產生低頻脈動現象。顧巍等[8]研究了回轉體空泡流的噪聲特性和空泡界面的瞬態特征。傅慧萍等[9]用數值計算的方法研究了不同回轉體的空泡幾何特征。劉海軍等[10]通過數值模擬的方法研究了圓柱體出筒過程頭型對流體動力特性的影響。目前，對不同頭型回轉體的空穴形態發展及其流場結構特性方面還鮮有研究。
本文綜合高速全流場顯示和PIV方法，研究了平頭和半錐角為45°的錐頭回轉體在多種空化數下的空穴發展及流場結構特性并對比分析了二者的異同。
1 實驗設備及方法
實驗在一閉式循環空化水洞[11-12]進行。實驗段的基本尺寸為0.19 m×0.07 m ×0.7 m。實驗模型為平頭回轉體和半錐角為45°的錐頭回轉體，通過實驗段的上下面及前側面的透明有機玻璃窗觀察空化的流動。圖1為高速錄像系統的示意圖，實驗時，采用1.2 kW鏑燈照明，高速攝像機記錄空化發展過程中的流動演變歷程，采集速度設置為5 000 fps。圖2給出了PIV測速系統的示意圖，粒子成像測速儀(particle image velocimetry ,PIV)的基本組成包括CCD相機，激光器，同步器及光路系統、數據采集系統等。實驗時，激光器按一定的頻率發出片光并由實驗段底部射入，照亮回轉體一側流場中的粒子，同時由計算機控制CCD/CMOS照相機拍攝圖像并存儲于計算機內，然后用專業的后處理軟件對圖像進行分析計算，最終得到流場的速度分布、渦量分布、湍流場的分布等測量結果。
圖1 高速錄像觀察系統布置
實驗中，無量綱參數空化數、雷諾數定義為：
(1)
(2)
式中：p∞、U∞、ρ、ν和pv分別為回轉體頭部中心上游0.21m處參考斷面上的靜壓力、平均速度(速度剖面充分均勻)、水密度、水運動粘性系數和當地汽化壓強；D為回轉體橫截面的最大直徑。實驗時，通過真空泵調節參考斷面的壓強進而調節空化數，流速為8.5 m/s,對應的雷諾數為1.7×105。
圖2 PIV測速系統示意圖
2 實驗結果與討論
2.1 空穴形態對比與分析
圖3分別給出了平頭及錐頭回轉體在4種不同空化數下最大空穴尺度的形態對比?？梢园l現，空化數為0.9時，2種回轉體的空穴形態均以小尺度空泡呈游離狀環繞在回轉體的頭部附近。當空化數降低到0.8時，2種回轉體的空穴尺度均明顯增大，空穴基本均勻包裹著回轉體肩部的整個圓周，尤其是錐頭回轉體的肩部下游已出現似附著狀空穴薄層且空穴起始位置位于肩部稍靠后的位置，如圖3虛線框標示所示。隨著空化數的降低，空化得以進一步的發展，2種回轉體的空穴尺度均逐漸增大，且空穴界面漸變光滑清晰，呈橢球狀。
圖3 2種頭型回轉體的空泡形態對比
為了更好地研究隨著空化數的變化，2種回轉體的空穴發展特性及二者的差異，表1分別列出了2種回轉體在不同空化數下，6個不同發展周期內的最大空穴尺度值，其中，統計量為最大空穴的長度Lmax及厚度Hmax，2種尺度的定義如圖4所示。
由表1的數據可知，即使在相同的工況下，不同周期的空穴發展情況亦有所不同，因此，選用平均值作為該工況下的空穴特征尺度以分析兩種回轉體的空穴隨空化數變化規律的差異，如圖5所示，分別給出了2種回轉體的最大空穴長度均值及厚度均值隨空化數的變化曲線及各段的增長率值。由圖5可以發現，相同空化數下，平頭回轉體的最大空穴尺度均明顯大于錐頭回轉體的，尤其是最大空穴的厚度值；隨著空化數的減小，2種回轉體的最大空穴長度增長率均大于空穴厚度的增長率。
圖4 最大空穴長度及厚度的示意圖
表1 各工況下，最大空穴的長度及厚度統計表
空化流動具有非常明顯的非定常特性，圖6給出了空化數為0.7時，2種回轉體的空穴形態隨時間的演變過程。需要說明的是，圖6中挑選了2種回轉體的空穴發展周期相等的一組以更好地研究二者的空穴形態隨時間發展規律的異同。對比發現，平頭回轉體的空穴在發展的過程中出現明顯的空穴斷裂及大尺度空泡團脫落的現象，不對稱的空穴環繞在平頭回轉體的頭部附近，表現出極其不穩定的狀態；錐頭回轉體的空穴發展過程沒有平頭回轉體劇烈，空穴并沒有出現明顯的斷裂，由于空穴的厚度較薄，最大尺度的空穴逐漸被分散為無數個小尺度的空穴，隨著時間的推移這些小尺度的空穴或繼而脫落潰滅或重新融合進入下一個發展周期。
(a) 空穴長度均值
(b) 空穴厚度均值
(a) t0 (b) t0+2.2 ms
(c) t0+4.4 ms (d) t0+6.6 ms
(e) t0+8.8 ms (f) t0+11 ms
(g) t0+13.2 ms (h) t0+15.4 ms
2.2 流場對比與分析
圖7給出了各空化數下2種回轉體的時均速度u分布云圖。2種頭型的測量結果均表明，在試驗工況下繞流回轉體的流動發生分離，但相比于平頭回轉體，繞流錐頭回轉體的流動分離較小。隨著空化數的減小，2種回轉體的空穴對應的低速區域增大，分離區域也逐漸外擴，空穴厚度亦隨之增大，相比于平頭回轉體，各空化數下，錐頭回轉體的低速區域均遠小于平頭回轉體。另外，相同空化數下，相比于錐頭回轉體，平頭回轉體空穴對應的低速區域中最小速度值較小且速度梯度較大?？栈瘮抵饾u減小時，由于空化的發展加速了當地流場的動量交換，使速度趨于均勻從而低速區域的速度梯度亦有減小的趨勢。注意到，空化數為0.7時，平頭回轉體的低速區域明顯分為前后兩部分，結合圖6可知，空穴尾部大尺度空泡團的脫落演變過程正好對應于流場中后一部分的低速區域。
(a) 平頭 σ=0.9
(b) 錐頭 σ=0.9
(c) 平頭 σ=0.8
(d) 錐頭 σ=0.8
(e) 平頭 σ=0.7
(f) 錐頭 σ=0.7
(g) 平頭 σ=0.6
(h) 錐頭 σ=0.6
圖8給出了2種回轉體在不同空化數下的時均Z向渦量云圖。這里，Z向渦量定義為：ωz=?v/?x-?u/?y?？梢园l現：1)各工況下，2種回轉體的高渦量區明顯分為兩部分，一部分為肩部鄰近的下游處，流動在該處發生明顯的流動分離，此區域速度梯度較大(見圖7)，因而始終存在比其他區域更大的渦量值，另一部分是與空穴區域相對應的區域。2)隨著空化數減小，2種回轉體的空穴進一步發展，雖然高渦量區域逐漸擴大，但是渦量的最大值卻逐漸減小。3)相同空化數下，對比2種回轉體的高渦量區域特點可知，平頭回轉體的高渦量區域更大且離回轉體壁面更遠，且由于平頭回轉體的空化發展更充分，其動量交換作用較強，所以空穴內部的高渦量值要小于錐頭回轉體。
湍動能是表征流場中速度脈動的一個物理量，時均湍動能分布從一定程度上可以反映流場的穩定性，如圖9所示，由于PIV后處理軟件功能的局限性，得到了與湍動能相當量的分布云圖?？梢钥闯?，各空化數下，高湍動能區域基本對應于兩回轉體的空化區域。隨著空化數的降低，空化不斷發展，高湍動能的分布區域亦逐漸擴大。相同空化數時，平頭回轉體的高湍動能區域明顯大于錐頭回轉體且最高湍動能值也較大，由此說明平頭回轉體空化流動過程中流場波動更強烈，穩定性較差。
(a) 平頭 σ=0.9
(b) 錐頭 σ=0.9
(c) 平頭 σ=0.8
(d) 錐頭 σ=0.8
(e) 平頭 σ=0.7
(f) 錐頭 σ=0.7
(g) 平頭 σ=0.6
(h) 錐頭 σ=0.6
(a) 平頭 σ=0.9
(b) 錐頭 σ=0.9
(c) 平頭 σ=0.8
(d) 錐頭 σ=0.8
(e) 平頭 σ=0.7
(f) 錐頭 σ=0.7
(g) 平頭 σ=0.6
(h) 錐頭 σ=0.6
3 結論
分別采用高速錄像顯示技術和PIV流場測量的實驗方法，研究了繞平頭和錐頭回轉體的空化形態及流場結構特性，所得結論如下：
1)回轉體的頭型對其空穴形態隨空化數變化的發展特性有著重要的影響。相同空化數時，平頭回轉體的空穴最大尺度尤其是空穴的厚度遠遠大于錐頭回轉體的，而且平頭回轉體的最大空穴尺度隨空化數的變化率亦大于錐頭回轉體。
2)回轉體的頭型影響空穴發展的非定常性及流場的穩定性。相同空化數時，平頭回轉體空穴形態的發展表現為大尺度空泡團的脫落及融合；而錐頭回轉體則為小尺度空穴的潰滅及再融合進而潰滅，空穴的脈動遠不及平頭回轉體，且其流場的穩定性較好，因此更容易形成附著型空穴。
3)回轉體空穴形態的發展特性與流場結構密切相關。回轉體的空穴區域對應于低速高脈動區域。隨著空化數的減小，空穴對流場結構的影響越來越顯著，當地速度分布逐漸趨于均勻。
4)由2種回轉體的空化流場特性可知，空穴在回轉體肩部的分離區域內發展，隨著空化數的降低，空穴不斷發展，分離區域外擴，同時空穴內部流動脈動增強，從而導致高湍動能區域逐漸增大。
參考文獻：
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