云空化結構的潰滅與空蝕風險預估研究進展

張 偉,楊 樸,朱 兵,*

(1.中國船舶及海洋工程設計研究院 噴水推進技術重點實驗室,上海 200011;2.上海理工大學 能源與動力工程學院,上海 200093)

0 引 言

空化是指在一定溫度下液體內部局部壓力低于汽化壓力時發生汽化相變的物理現象。渦輪泵、螺旋槳、水輪機、高壓噴嘴、滑動軸承等設備在特定的工況下會發生空化現象?？栈陌l生常帶來負面的影響,使得設備內部流場不穩定,并產生大的壓力脈動,從而引起設備性能下降、結構振動、產生噪聲和材料空蝕破壞等。

空化一般要經歷初生、發展和潰滅三個階段。影響空化發生的主要因素包括幾何模型因素、流場工況參數和水質條件。根據空化汽液界面的形狀和相對于物體表面的尺寸不同,一般可分為游離泡空化、附著片狀空化、云狀空化和超空化。有研究表明[1-4],云空化潰滅引起的高壓力脈沖是極具破壞性的,而云空化流動是一種含相變傳質的非定常多相復雜湍流流動,對其開展研究涉及諸多方面。空蝕的力學過程可理解為空化結構潰滅產生巨大的壓力脈沖沖擊結構表面,在時間的積累下引起材料的疲勞破壞[2-4]。因此,分析云空化結構的產生、運動和潰滅過程,獲取沖擊載荷,并評估特定材料在沖擊載荷作用下的抗沖擊能力,這應是空蝕研究的基礎性問題。

目前,已有學者針對云空化結構的潰滅和空蝕破壞開展了理論、數值和實驗方面的研究工作。因此,非常有必要對該領域的研究進展進行梳理,并探討今后可能的研究方向。

1 典型局部空化流動結構

局部空化包括片空化和云空化,如圖1所示。片空化指在特定的工況條件下,物體表面最小壓力點附近會生成較多的空化汽泡,附著在物體表面上呈現的層狀現象。云空化則指當片空化發展到一定的程度,在其后端發生不穩定的破碎或斷裂,形成大量空化汽泡聚集的現象[5]。一般片狀空化比較穩定,而云空化中的空腔脫落和回射流再附著機制具有明顯的周期性。當大量的云空化汽泡與物體表面相互作用而潰滅時,會對其產生較強的侵蝕作用。

圖1 翼型表面片空化和云空化現象[6]Fig.1 Sheet and cloud cavitation on airfoil surface[6]

局部空化可能是穩定的,也可能是動力學多模態演化的。圖2為NACA66水翼表面空化流動結構的穩定性隨來流迎角和空化數的分區[7-8],即實驗觀察發現σ/2(α－α0)＝4為翼型表面穩定的片空化過渡到非穩定的脫落云空化的近似分界線。圖3為典型的繞流翼型空穴長度隨空化數變化的L形曲線,其中實線為繞流平板水翼獲得的理論解[9-10]。實驗總結發現,當σ/2α＜4時,翼型表面空穴的長度大于弦長的一半,空化結構發生不穩定脫落進入云空化狀態。

圖2 繞流翼型空化結構穩定性分區[8]Fig.2 Stability of cavitation flow structures around an airfoil[8]

圖3 繞流翼型空穴長度隨空化數的變化[9-10]Fig.3 Cavity length with change of cavitation number[9-10]

在云空化狀態下,存在多種非穩定的空化流動結構,其中繞流物體表面附近比較典型的是回射流結構[11]和凝聚激波結構[3]?；厣淞鳈C制被視為原始云空腔下游存在與流體相反的逆向流動,當這股反向流體再次與靠近前緣的汽-液界面相交時,引起空腔斷裂產生一個新分離的腔體。圖4為NACA 0015對稱翼型由回射流驅動的云空化結構的脫落過程,存在特征脫落頻率(0.4),且分離、三維展向效應等會使得脫落邊界和脫落云層呈現不同的形態,如新月型、U型和馬蹄形等[11-13]。圖5為同一翼型在相對較低的空化數下,由凝聚激波機制誘導的空化結構演化過程[10]。凝聚激波本質上不同于空腔潰滅發出的沖擊波?？涨粷缫鸬臎_擊壓力上升時間短、振幅大[14]。相反,凝聚沖擊與局部空腔回縮有關,作用時間長,相變過程壓力上升幅值小(幾千帕),凝聚激波向上游移動速度與對流速度相當,會導致前緣空化帶斷裂并脫落。與回射流相比,凝聚激波可能跨越空腔的整個高度,演化特征頻率相對較低,而回射流為在片狀空腔下面向上游運動的逆流薄層,誘導并形成大尺度脫落的空化云團[3]。

圖4 空化脫落回射流機制(4.1)[10]Fig.4 Cavitation shedding by re-entrant jet[10]

圖5 空化結構演化凝聚激波機制(＝2.5)[10]Fig.5 Cavitation evolution by condensable shock[10]

2 局部空化流動的研究進展

國內外學者針對不同簡單構型的典型局部空化流動開展了大量的工作,下面將分別從實驗和數值兩個方面總結相關研究進展。

2.1 實驗研究

定量測量局部空化流動的流場信息十分困難,攝像或高速攝影是觀察局部空化流動演化的主要手段。如Foeth和Terwisga[15]對三維扭曲水翼的高速攝影實驗中發現了回射流展向分量誘導的三維云空化結構脫落現象。Callenaere[9]等在靠近薄板空化閉合的壁面上安裝小凸起結構可以抑制云空化的發生,證明了回射流的存在。Wang等[16]通過高速攝影觀察到典型的回射流誘導云空化脫落現象。最近,Simoa[3]、Wu[10]和Ganesh[17]等使用高速可視化技術和X 射線光密度測定法,在較低空化數下,觀察到楔形體空腔下游的空化云潰滅誘導了沿片狀空腔傳播的凝聚激波現象。

在流場定量測量方面,Laberteaux等[18]發展了一種多幀PIV 系統,發現片空化尾部閉合區的流動呈現明顯非定常性。Arndt等[19]則利用時間分辨PIV 測量了NACA0015 空化尾跡中的渦量場。Peng[20]等采用LDV 測量了沿梢渦軌跡典型截面中的旋流場,并利用體PIV 系統測量了速度和渦量分布?？梢?受限于空化流動結構的非定常性、光學反射、示蹤粒子跟隨性等方面的制約,目前開展空化結構內的流場測量還存在較大困難。

人們還嘗試采用圖像法或直接測量的方法獲得空化流動中汽(氣)含率。很多學者研究了水中含氣飽和度對空化初生的影響[21-22]。Stutz和Reboud[23]通過將光學探頭放入楔型的非穩態空泡流中測量了時均汽含率。Evert等[24]使用X 射線計算機斷層攝影術來獲得噴嘴中時均空隙率分布。Wan等[25]采用電阻探針系統對空化流動中汽含率進行了測量。此外,有關空化壓力脈動和噪聲的測量研究,將在空蝕實驗部分介紹。

2.2 數值研究

空化流是一種包含汽液相間質量傳輸的非定常多相湍流流動,因此空化流動的數值模擬非常復雜,將涉及多相流、相間質量輸運(空化模型)和湍流模擬等方面。經過科技工作者多年的研究,基于不同的理論和假設,目前已發展了多種有效的空化流數值模擬方法,主要的方法概括如圖6所示。

圖6 空化流數值模擬方法Fig.6 Simulation methods of cavitation flow

研究者們采用上述空化流數值計算方法,針對不同的問題開展了大量的研究工作。

歐拉-拉格朗日是一種描述空泡流動中汽液兩相流動的動力學與運動學耦合方法。Hsiao等[26]利用Level Set方法模擬宏觀大尺度的空泡結構的界面,而低于網格分辨率的小尺度云泡則采用拉格朗日方法追蹤,汽相的歐拉模擬和拉格朗日顆粒追蹤可根據合適判據進行切換。Ghahramani等[27]在OpenFOAM 中開發了一個歐拉-拉格朗日求解器,計算了水翼表面非穩態空化流動。近年來,一些學者嘗試在歐拉框架下建立空泡流動的動力學與運動學統一模型。如Dumond[28]就通過耦合基于熱力學狀態方程的空化模型與隨機場方法,在計算宏觀空化現象的同時,計算了流場中空泡直徑的分布。De Giorgi[29]利用Sauer-Schnerr模型計算宏觀空化流動,同時求解群體平衡方程研究空泡直徑分布對空化流動演化的影響。

基于輸運方程的歐拉均質流模擬方法是目前應用較為廣泛的一種方法,其可以宏觀上描述空化流動結構的非穩態過程。根據輸運方程源項給定方式的不同可分為兩類:一類是直接給定顯式表達式描述汽泡的生成和擴散行為,如Merkle[30]、Kunz[31]等空化模型;另一類是以簡化的Reyleigh-Plesset方程為基礎給出表達式,一般包括局部壓差作為驅動控制項,如Kubota[32]、Singhal[33]、Sauer & Schneer[34]和Zwart[35]等空化模型。質量輸運方程模型由于存在相變率常數,實際空化流動模擬時一般需要標定。如Morgut[36]就以繞水翼空化流動的實驗結果為參考,通過優化算法重新標定了Zwart模型、Singhal模型及Kunz 模型中的常系數,提高了計算精度。Asnaghi等[37]則通過分析流動中的剪切力對相變的影響,定義了一種基于局部流動修正的相變率函數,該模型可以準確模擬扭曲水翼表面的壓力分布,并成功捕捉由回射流引起的三維片空化到云空化的演化過程。

基于狀態方程的空化模型可直接考慮流體的可壓縮效應。一般假定混合介質的密度是壓力的單值函數,汽液混合物的密度在兩相過渡區內以一個大斜率曲線進行過渡。許多研究者基于正壓狀態假設提出了多種形式的空化模型,如Coutier-Delgosha 和Reboud[38]采用水蒸汽的理想氣體狀態方程與液態水的Tait模型狀態方程,混和區通過正弦函數連接水蒸汽與液態水的狀態方程。Ventikos和Tzabiras[39]建立了一種考慮焓的空化模型,利用查表計算水汽混合物實驗數據中密度與壓力及焓的關系。Koukouvinis等[40]通過引入新的傳質速率模型并考慮了混合物的可壓縮效應,準確地預測了汽相結構的坍塌現象。Gnanaskandan 等[41]采用可壓縮數值計算方法對NACA66翼型的云空化不穩定性進行了分析,闡述了瞬態空化結構演變以及空腔潰滅引起的激波現象。雖然這種方法理論上可以直接描述空化流動結構的潰滅、壓力波的生成和空間傳播,但要準確描述壓力波大小和傳播則需要非常精細的時空尺度,需要消耗巨大的計算資源和時間。

由于大多數情況下非穩態片空化形成云空化的流動是湍流流動,因此湍流模型的選擇也是準確把握空化流動的關鍵。研究者們越來越清晰地認識到雷諾平均方法具有強湍流黏性耗散性,逐漸嘗試采用修正的湍流模型或直接采用含尺度解模型(如DES、LES、SAS、PANS、BES、FBM 等)模擬非穩態的空化流動結構。如Ahn[42]等提出了一種修正湍流黏度模型用于預測空化流的方法,改進了兩方程湍流模型由于湍流黏度過高而無法準確地預測非穩態云空化現象。Girimaji[43]等發展了一種基于k-ε 模型的PANS方法,以較小的計算量提取湍流的重要非定常特征尺度。Roohi等[44]利用LES方法研究了Clark-Y 水翼周圍的云空化和超空化動力學。Chen等[45]使用可壓縮的LES模型,捕捉了Delft扭曲水翼上的級聯空化脫落結構。Ji等[46-47]用LES 模擬了水翼上的空化-渦旋相互作用。由于亞格子應力和低階格式數值截斷誤差相當,一些學者考慮直接利用數值格式誤差的人工黏性代替亞格子應力模型,提出了一種隱式大渦模擬方法(ILES)。如Egerer等[48]應用ILES方法有效地模擬了湍流與空化結構的耦合效應。此外,一些學者認為空化流動的某些現象有時是由慣性力主導的,數值模擬時可以忽略流體黏性的影響。如Schmidt等[49]采用無黏可壓縮的均質模型,研究了二維NACA0015翼型的云空化現象。Eskilsson等[50]采用可壓縮的空化模型,比較了勢流、雷諾平均和大渦模擬的結果,發現無黏模型同樣可以捕捉凝聚激波現象。

3 空蝕風險預估

3.1 空蝕實驗研究進展

空蝕破壞過程一般可以分為潛伏孵化期、加速期、減速期和穩定破壞期,需要經歷較長時間累積過程,但可通過在實驗室模擬給定材料樣本在空化工況下的響應,以縮短空蝕破壞的時間,并定量評估空蝕破壞程度。目前,這種加速空蝕實驗測試裝置主要包括超聲振動桿、水射流、高速循環水槽和高速轉盤等[51]。如Boyd等[52]通過超聲換能器表面的振動將超聲場引入到流體介質中,模擬了低頻超聲場中近壁空化泡的生長和潰滅現象,發現在空蝕形成的早期過程中通常可見從微米到毫米大小的個別凹坑;對于深坑或大面積侵蝕區域,主要是由集體大規模泡群潰滅造成的。Deplancke等[53]探索了聚合物涂層對表面空蝕的影響,發現采用高分子聚乙烯之類的涂層,會降低物體表面的損壞程度。

點蝕實驗是一種描述空化潰滅強度或侵蝕性的方法。在空蝕早期潛伏孵化階段,假設材料表面僅發生塑性變形形成點孔。隨著表面分析技術的發展,人們可以定量測量點蝕位置的尺寸、深度和分布,以判斷沖擊載荷強弱。如Samir Chandra Roy和Jean-Pierre Franc[9]提出了一種基于測試目標材料本構屬性和逆向有限元的方法以計算空蝕沖擊載荷的思路,即通過樣本材料的壓縮實驗、納米壓痕實驗和霍普金森壓桿實驗,以確定材料本構模型參數;再根據點蝕實驗獲得的空蝕點變形參數,結合測得的目標材料本構,采用逆向有限元仿真獲得沖擊載荷的特征幅值和特征寬度。當樣本材料從塑性變形階段進入加速破壞階段,通過測量樣本材料質量損失隨時間變化判斷空蝕破壞程度。如Choi[54]針對不同的材料和工況條件,分別在超聲振動桿和高壓水射流裝置中開展了空蝕實驗,發現樣本質量減少隨空蝕時間變化曲線呈現典型的S形,且在選取特征長度和時間歸一化后,不同的材料具有一致的標度率。

此外,采用壓力傳感器是一種評估沖擊載荷的直接測量技術,但受限于壓力傳感器的尺寸、響應頻率、量程、精度以及空蝕的隨機性等,目前用于空蝕位置壓力脈動的測量還存在困難[55]。PIV 技術也可作為一種測量流場中瞬時空間壓力分布的非侵入式方法。Liu[56]等利用雙相機共四次曝光的PIV 系統測量樣本顆粒的加速度分布,假設不考慮黏性影響,根據測量的加速度場分布和已知邊界參考壓力,積分計算獲得汽泡破碎過程的壓力分布。最近,Sinibaldi等[57]嘗試通過定制的光纖探針測量了激光誘導空泡潰滅過程引起的壓力脈動。

工程上,目前主要采用油漆涂層破壞實驗與圖像拍攝相結合,定性評估實驗模型表面的空化侵蝕程度,但這種方法無法揭示出更多侵蝕背后的物理機制。

3.2 空蝕破壞的微觀機理

空蝕的核心事件是汽泡的潰滅,如圖7所示。早在1917年,Rayleigh 指出汽泡破碎過程中產生的沖擊波是空蝕主要原因[58]。Han 等[59]實驗觀察了汽泡附近由于存在固體表面而引起流場的不對稱性,導致塌陷時形成微射流現象,后來大量的實驗證實了這一現象,并發現如果汽泡足夠接近壁面,射流會直接撞擊壁面,產生較大的水錘壓力。圍繞固體表面附近空泡潰滅產生沖擊波和微射流現象,研究者們開展了大量的研究工作,進一步加深了對空蝕破壞的微觀機理認識。

在微泡潰滅實驗研究方面:早期實驗一般采用火花放電方法產生汽泡。Tomita和Shima[63]測量到固體表面附近的空化汽泡破裂產生了幾十兆帕的沖擊壓力,并發現壁面附近的汽泡會朝著壁面運動。隨著科技的發展,目前采用非接觸激光方法產生理想的球形汽泡,并結合高速攝影技術,在理解近壁汽泡破碎和空蝕方面取得了許多進展。如Brujan 等[64]指出與固體表面直接接觸的汽泡是造成局部侵蝕的最大原因。Zhang等[65]通過高速攝影研究了自由表面和剛性邊界附近汽泡半徑、汽泡脈動周期、射流速度和汽泡中心遷移的變化規律。

圖7 近壁空泡潰滅現象Fig.7 Collapse of near-wall cavitation

噪聲和發光的測量也是研究空化汽泡潰滅過程的一種重要手段。Oweis[66]等指出如果汽泡被高度剪切變形,體積無法顯著地實現加速變形,則基于球形汽泡動力學的傳統方法會明顯高估塌陷汽泡產生的噪聲。Choi等[67]利用聚焦的激光脈沖在渦旋的中心產生一個核,對渦核內的單個空化汽泡的生長、分裂和潰滅過程進行了詳細研究,發現在潰滅過程中產生的聲脈沖比由于生長和分裂引起的噪聲高出4個量級。Shamsborhan等[68]應用壓力傳感器和光學探頭測量了高汽相體積分數空化流動中的聲速,發現聲速下降到了10 m/s 以下,當地馬赫數超過1.2。Supponen[69]等通過改變汽泡的大小、驅動壓力和拋物線飛行重力的大小,測量了單個泡在均勻壓力梯度下的變形和發光光譜,探索了從非球面到高度球形汽泡破裂過程。

在微泡潰滅數值研究方面:起初學者們主要基于勢流理論的方法研究計算壁面附近汽泡的潰滅過程,后來逐漸開始考慮流體的黏性、表面張力、液體可壓縮性效應和熱效應等。但由于空泡潰滅物理過程的復雜性和時空尺度的廣泛性,如何提高沖擊波和界面處理的精度和計算穩定魯棒性,研究者們開展了很多的工作。如Zhang[70]等假設汽相滿足理想氣體正壓模型,液相為不可壓流體,采用基于壓力基的方法求解了多泡在壓力驅動下的潰滅過程,得出中心汽泡的潰滅過程明顯不同于單泡,存在總體潰滅延遲現象和后期加速現象。最近,Beig[61]采用高分辨率(9億網格近似1/4球泡)的數值方法對單個汽泡在剛性表面附近潰滅過程進行分析,發現壁面的局部高溫可能主要是由空泡潰滅沖擊或水錘沖擊引起的,何種機制主導取決于汽泡與壁面的初始距離以及驅動壓力。Peng[71]等嘗試使用格子Boltzmann方法模擬了兩個相鄰空化泡之間的弱、強相互作用以及空化泡群間的相互作用,發現外層汽泡對微射流具有屏蔽效應。

3.3 空蝕風險預估研究進展

因空化流涉及的時、空尺度范圍很廣,而目前的計算能力不允許解析空化流中出現的所有尺度,因此構建大尺度空化結構的潰滅侵蝕預估模型是非常必要的。研究者們基于對不同空蝕機制的認識,開展了一些探索工作。其中,比較有代表性的是:Kato 模型[72]假設云空化潰滅是發生空蝕的主要原因,指出只有在特定距離內才會對材料構成侵蝕威脅。由于該模型往往基于簡化模型實驗率定的關系式,還需要進一步的實驗和理論支撐。Bark 等[51]指出集聚空穴的潰滅對空蝕起主導作用,提供了依據圖像觀察分析空化結構的演化(發展、集聚和可能的微泡回彈)以評估侵蝕性的基本準則。但該方法只是基于宏觀空化結構的實驗觀察或大尺度空穴的模擬結果進行定性分析,一般需要結合可視化分析、涂層測試以及可能補充高頻區噪聲測量進行綜合評估。此外,由于該方法主要是基于對回彈腔的觀測以估計潰滅強度,因此不適用于由不可壓縮求解器獲得的流場。Dular模型[73]假設壁面的空蝕是由近壁的單泡潰滅引起,此單泡的潰滅又主要是由云空泡潰滅產生的激波誘導,然后根據每個位置圖像像素灰度水平評估空蝕的風險。該模型假設的空蝕物理過程與測定的空泡和泡云潰滅的聲功率比較結果矛盾,且采用測量圖像像素變化表征空化體積變化率不太恰當,主要原因是由于泡的自身尺寸存在差異也有可能引起圖像灰度水平變化。

Hammitt[74]率先假設脫落空化結構中所含的勢能與其初始體積以及環境壓力與飽和蒸汽壓之間的差成正比,一旦超過與材料屬性相關的閾值,就會發生空化侵蝕破壞。自從空化結構勢能的概念提出后,沿著該方向已經有了較多重要進展。Fortes Patella和Reboud[75]認為壓力波的發射可能是由汽泡、渦空化結構潰滅以及微射流形成的,開發了一種基于汽泡破碎、壓力波釋放和鄰近固壁之間能量平衡的方法來估計空化的侵蝕性。Franc和Michel[6]認為沖擊波和微射流機制都會產生與一般金屬屈服應力相當量級的高壓脈沖;當云泡群破碎時,特定汽泡釋放的壓力波會增加相鄰汽泡的潰滅速度,觸發的能量級聯機制使得對壁面施加侵蝕沖擊的時間和幅度均會增強。Wang[76]等認為空腔潰滅期間的能量級聯可簡化為首先初始勢能腔的能量轉化為周圍液體的動能,動能在空泡潰滅之前完成在空間的聚焦,最后在特定條件下瞬間轉化成聲能。最近,Schenke和Terwisga等[77]提出了一種空蝕沖擊載荷預估模型,該模型的基本思想是假設空腔結構的初始勢能在塌陷收縮時首先轉化為界面附近的動能,該動能隨著空腔體積的減小逐漸隨界面向中心聚焦,當滿足潰滅條件時,累積的能量以壓力波能的方式釋放出來,最后壓力波能以輻射的方式投影到考察的壁面,從而獲得對壁面的沖擊載荷,但該模型忽略了能量在空間輸運的耗散。能量傳遞過程參見圖8所示。

圖8 基于能量輸運的空蝕沖擊載荷預估模型Fig.8 Cavitation erosion model based on energy transport

可見,隨著對微泡破碎過程的大量實驗和數值研究的深入,人們逐漸意識到基于能量輸運的空蝕模型由于無需考慮詳細的潰滅過程,且建模的思想符合客觀的空泡潰滅的物理過程,是非常適合用于建立空化結構破碎過程的能量傳遞和轉換模型,以評估空化的侵蝕性。

我們也基于能量輸運、空間聚焦、輻射投射和壁面累積的思想,在空蝕方面也開展了一些研究工作。如圖9對比了采用不可壓縮和可壓縮方法計算空泡群潰滅時壁面壓力分布,認為不可壓方法僅可以捕捉到空泡潰滅引起的壓力變化,但無法捕捉空泡潰滅壓力大小和描述潰滅引起的壓力波傳播過程;而可壓縮方法雖然可以詳細描述空泡潰滅壓力傳播過程,但需要非常小的時空分辨率以提高捕捉的精度,而這需要非常巨大的計算資源。圖10為空泡潰滅過程空間能量的累積和空泡潰滅瞬間輻射能量對壁面的投影。針對NACA0015 翼型由回射流主導的空化脫落工況,圖11為數值模擬得到的云空化脫落結構與實驗結果對比。圖12為基于能量輸運的空蝕風險預估區域與實驗中翼型表面涂層破壞區域的對比?？梢?雖然目前我們能夠定性描述空泡能量輸運過程和預估空蝕風險區域,但還存在很多問題值得深入研究:(1)初始勢能還不能準確計算,因為能夠有效驅動空腔潰滅的環境壓力與流場中絕對局部壓力是不同的,且在計算距離空腔潰滅中心一定距離處的局部峰值壓力時,所得結果與數值計算采用的時空分辨率有很強的依賴關系,無法保證假設的初始勢能在轉化過程的守恒性;(2)不能真實反映空泡潰滅過程能量的時空輸運機制,因為很多模型忽略了勢能隨著空化結構潰滅過程時空集聚效應;(3)尚不清楚初始勢能的轉化效率和潰滅能量向壁面輸運的效率,缺乏從能量的觀點出發,對空化結構潰滅能量的轉化、占比和輸運和耗散機制的系統研究;(4)空化結構潰滅能量釋放的判據還不一致有效,因為適用于可壓縮計算的壓力判據不一定適用于不可壓計算。

圖9 泡群潰滅過程壁面壓力分布Fig.9 Pressure distribution induced by bubbles collapse

圖10 空泡潰滅過程空間能量累積和壁面投射Fig.10 Accumulated volume energy and projected instant surface energy by bubbles collapse

圖11 回射流機制誘導的翼型空化脫落和馬蹄渦結構Fig.11 Cavitation structures shedding by re-entrant jet and induced horse shore structure

圖12 翼型表面空蝕破壞數值預測和實驗對比Fig.12 Damage pattern on the NACA0015 hydrofoil surface from experimental paint tests(a)and high erosion risk areas predicted by simulation(b)

4 展 望

1)在空化結構潰滅和空蝕破壞機理探索方面,已有一些學者針對單泡或一定數量汽泡在近壁或自由面附近開展了研究工作,對空泡潰滅的發聲、發熱、發光效應和誘導的流場已有一定的認識。但仍有很多機理研究和數理建模工作需要深入開展,比如空泡、泡群和空化流動結構與湍流渦結構、邊界層的相互作用,空化流動結構非穩定破碎和潰滅機制,空化結構潰滅時能量輸運和轉化機制,材料空蝕的微觀過程及疲勞破壞等。

2)在實驗測試方面,已有很多學者做了大量的工作,如采用電火花放電、激光聚焦生成泡,研究泡的演化及與邊界的相互作用;在水槽/水洞中針對一些簡化模型,采用圖像觀測空化流結構的演化、測量空泡特征長度和體積分數,開展空化流速度場、壓力場和聲學信號的測量等;在模擬加速空蝕進程的實驗測試裝置中對樣本材料開展點蝕實驗,統計孔的數量、位置和樣本材料的質量損失,測量孔的大小和孔深等;以及工程上利用表面油漆涂層定性評估實驗模型表面的空化侵蝕程度等。但仍有很多工作需要深入開展,包括:三維空化流結構的空間重構;開發提高空化流場(速度、壓力和體積分數等)測量精度和響應頻率的測試技術;樣本材料表面侵蝕力測量、統計和宏觀建模;樣本材料空蝕過程中微觀結構演化測量等。

3)在數值計算方面,鑒于空化流動包含非常寬泛的時空尺度,研究者們已經針對不同層級應用采用不同的數值計算方案,獲得了一些與空化流動相互作用的流場信息,其中基于輸運方程的歐拉均質流模型應用最為廣泛,學者們也已采用一些包含更多物理信息的空化修正模型和更多尺度信息的湍流模型以提高數值計算的精度。為了能更加準確地獲得空泡潰滅對壁面的沖擊載荷,今后可嘗試開展的研究包括:基于微觀或介觀模型的大規模泡群潰滅過程模擬;基于狀態方程的空化流計算以考慮空化潰滅過程中壓力波的傳播;構建歐拉和拉格朗日耦合模型以考慮流動與空泡相互作用、空泡的生成和潰滅過程;開發空泡、空化結構潰滅與材料發生侵蝕的耦合計算方法;發展基于能量輸運的空蝕風險預估模型;分析結構材料的空蝕破壞過程等。