空化初生機理及比尺效應(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式后臺階三維管流的初生空化進行了數(shù)值模擬；提出了進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，對其機理進行了分析，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則，得出在強紊動區(qū)，脈動壓力滿足重力相似準則；但在平順邊界上的水流脈動，脈動壓力不

4、符合重力相似準則的結(jié)論。 6.首次在高速水流(18.0m/s～45m/s)條件下對突擴體型進行了常壓空化試驗，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值σ0和參考速度VRel應(yīng)是不同的；對于突擴式后臺階流動，參考速度取VRel=55.0m/s為宜。 7.首次對突擴空化流進行了三維數(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.對突擴流的數(shù)值結(jié)果表明，當(dāng)進口流速大于臨界值(本體型V＞5.0m/s)時，有、無空化，對突擴段水流的速度分布影響較小，突擴處的速度分布和流線基本相同。突擴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。突擴流的壓力最低點出現(xiàn)在突擴處的臺階頂點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流的空化初生，