力学学报, 2019, 51(5): 1296-1309 DOI: 10.6052/0459-1879-19-128

流体力学

可压缩空化流动空穴演化及压力脉动特性实验研究 1)

王畅畅, 王国玉,2), 黄彪, 张敏弟,3)

北京理工大学机械与车辆学院,北京 100081

EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF CAVITATION CHARACTERISTICS AND DYNAMICS IN COMPRESSIBLE TURBULENT CAVITATING FLOWS 1)

Wang Changchang, Wang Guoyu,2), Huang Biao, Zhang Mindi,3)

Beijing Institute of Technology, School of Mechanical Engineering, Beijing 100081,China

通讯作者: 2)王国玉,教授,主要研究方向:高速水动力学. E-mail:wangguoyu@bit.edu.cn3)张敏弟,副教授,主要研究方向:水力空化. E-mail:zmd1971@bit.edu.cn

收稿日期: 2019-05-17   网络出版日期: 2019-09-18

基金资助: 1)国家自然科学基金资助项目.  51839001
国家自然科学基金资助项目.  91752105

Received: 2019-05-17   Online: 2019-09-18

作者简介 About authors

摘要

空化流动具有高度的压缩性,空化流动非定常特性及其流体动力与压缩性密切相关.为研究可压缩空化流动空泡脱落的回射流和激波机制下周期性空穴结构演化及其诱导流体动力特性,本文采用多场同步测试方法对典型云状空化流动进行了实验研究,获得了文丘里管扩张段内部云状空化空穴形态演化及其诱导同步壁面压力脉动信号.并基于数字图像处理技术,对附着型片状空穴和脱落型云状空穴结构演化进行了精细化定量分析.结果表明:可压缩空化流动回射流机制下,空穴演化呈现附着型空穴生长$\!$-$\!$-$\!$回射流产生及发展$\!$-$\!$-$\!$附着型空穴失稳断裂及大尺度空泡云团产生脱落的非定常过程,激波机制下空穴演化具有附着型空穴生长$\!$-$\!$-$\!$激波产生及传播$\!$-$\!$-$\!$附着型空穴失稳断裂及大尺度空泡云团脱落的非定常特征,激波传播时间占空穴脱落周期小于回射流推进.激波与空穴相互作用导致空穴内部含气率瞬间大范围大幅度下降,诱导复杂流体动力.激波传播过程中,空泡内部压力脉动大幅增加,激波前缘诱导压力脉冲,而回射流推进过程中,壁面压力脉动相对平稳,回射流头部存在小幅增加. 不同机制下空穴结构存在显著差异,具有不同的相间质量传输过程.

关键词: 可压缩空化流动 ; 多场同步测量 ; 回射流 ; 激波 ; 压力脉动 ; 图像处理 ; 质量交换

Abstract

Cavitation is the strongly compressible flows, where the cavitation compressibility effects could be closely associated with the cavity instabilities and dynamics. To investigate the cavity structure evolution and dynamics under both the re-entrant jet and shock wave mechanisms in compressible cloud cavitating flows, experiments were conducted in the divergent section with 10° in a venturi, using the simultaneous sampling technique to synchronize the observations of transient cavity behaviors with the wall-pressure signals measurements in cloud cavitating flows. A novel image processing algorithm is developed to analyze the transient cavity structures in detail. Based on the developed image processing method, the attached-type sheet cavity and shedding cloud-like cavity structures can be studied quantitatively. Results showed that unsteady cavity behaviors under re-entrant jet mechanism (RJM) can be divided into three stages: 1) the attached cavity growth, 2) the re-entrant jet formation and movement, and 3) the attached cavity breakup and cavity cloud shedding, collapse. The transient cavity structures under shock wave mechanism (SWM) present periodic behaviors: 1) the attached cavity growing, 2) the shock wave generating and propagating, and 3) the attached cavity collapsing and shedding. The period of re-entrant jet development is larger than that during the shock wave propagation. The interactions between shock wave and cavity cause significant local void fraction reduction, which induces complex cavity dynamics. During the shock wave propagation, both large pressure fluctuations and pressure peaks are captured, while in the process of the re-entrant jet movement, relatively smooth pressure fluctuations are measured, with small pressure fluctuations increase at the re-entrant jet head. Furthermore, the behaviors of attached-type sheet cavity, and shedding cloud-like cavity are totally different under re-entrant jet and shock wave mechanisms,indicating different mass transfer processes in different cavity shedding mechanisms.

Keywords: compressible turbulent cavitating flows ; simultaneous sampling technique ; re-entrant jet ; shock wave ; unsteady pressure fluctuations ; image processing ; mass transfer

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本文引用格式

王畅畅, 王国玉, 黄彪, 张敏弟. 可压缩空化流动空穴演化及压力脉动特性实验研究 1). 力学学报[J], 2019, 51(5): 1296-1309 DOI:10.6052/0459-1879-19-128

Wang Changchang, Wang Guoyu, Huang Biao, Zhang Mindi. EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF CAVITATION CHARACTERISTICS AND DYNAMICS IN COMPRESSIBLE TURBULENT CAVITATING FLOWS 1). Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics[J], 2019, 51(5): 1296-1309 DOI:10.6052/0459-1879-19-128

引言

水力空化是一种广泛存在的高速水动力学现象,发生于水流中的低压区域[1-2],以水相和蒸汽相间剧烈质量传输为特征.长期以来,空化流动的理论及数值计算均基于不可压缩假设,这是由于相对常温水体音速1450m/s和蒸汽音速340,m/s,来流马赫数在${Ma}=O(10)^{- 3}\sim O(10)^{ - 2}$,是极低马赫数流动.然而,空化一旦发生,将显著改变流场特性,实验表明,空化流动中当地声速可降至10,m/s以下[3],甚至3$\sim$5,m/s,空化区域可高达10个马赫数,是具有强烈压缩性的音速/超音速流动,图1为均匀汽液混相介质中声速与含气率关系.空化汽液混相介质压缩性效应产生的密度脉动必然改变流场结构及流体动力特性,压缩性是空穴强瞬态剧烈溃灭激波等瞬态载荷产生 的根源,是空化流体动力的重要原因.

图1

图1   水汽混合介质声速分布

Fig. 1   Sonic speed in water/vapor mixtures


由于可压缩空化流动涉及到相变、多相流、湍流、多尺度、非定常、非线性和波动力学(如激波、压缩波、膨胀波等)等几乎所有复杂流动现象[4-9],上述问题对可压缩空化流动特性及机理认知和理解提出了 挑战.

云状空化阶段具有强烈非定常性,尤其是在周期性附着型空穴失稳断裂和大尺度空泡云团脱落溃灭过程中,往往诱导剧烈的压力脉动,振动,噪声和机械部件的疲劳破坏[10-12],涉及到水力机械[13-14]、水中兵器[15]、水利水电工程[16-17]等工程领域中关键核心技术问题的解决.

云状空化流动不稳定性研究吸引了大量学者,Knapp[18]最早观察到空泡云团从片状空穴中分离/脱落的准周期性行为.此后,大量学者针对云状空化脱落机制展开了理论、实验和数值计算研究,主要包括界面不稳定性理论如K-H波[19-20],回射流机 制[21-27]和激波机制[28-35].并且,研究表明,不同机制之间存在耦合现象,如回射流/激波交替作用主导空化不稳定性[31],K-H波/回射流/激波联合作用机制[35].其中,回射流产生于空穴尾部,主要由水介质组成,紧贴壁面向上游推进,当回射流到达空穴前缘,回射流/空泡/主流相互作用导致空泡失稳断裂,断裂空泡在剪切作用下向下游输运,开始新一周期,逆压力梯度是回射流产生、发展的主要原因[27]. X 射线技术的发展为深入空化区域内部介质演化提供了手段,Ganesh等[32]应用X射线密度测量技术对收缩$\!$-$\!$-$\!$扩张流道内部含气率分布及演化进行了测量,捕捉到激波在空穴内部的传播,观察到,激波推进造成当地含气率急剧下降,当激波传播到附着型空穴前缘,会诱导空穴失稳断裂及空泡脱落,即激波机制. 然而,激波机制的产生及传播机理尚不清楚.关于激波产生原因,存在空穴下游大尺度空泡团溃灭理论和附着型空穴生长理论.由于空化流场内外陡峭的声速分布,激波将经历纯液相,空穴边界,空穴内部等不同介质中,并且空化区域含气率分布具有不均匀非稳态的特点,导致其传播及衰减规律难以预测,伴随着更加复杂的流体动力现象.以往的研究多基于单一流场测量方法,缺乏多物理场耦合同步测量与分析,为深入分析云状空化不稳定性,亟需基于多场同步测量技术进一步研究不同机制下空穴演化过程及其诱导同步流体动力特性.

随着高速摄像技术在空化流动研究的快速发展,数字图像处理技术作为多相流场研究的有效手段,逐渐应用到空化研究中[36].在以往研究中多应用于泡型相对稳定的超空泡流动中[37-40],然而针对非定常特性更为剧烈的云状空化,由于汽液相间界面更为复杂多变,其几何特性的获取和精度为空化流动定量研究带来很大困难,为定量分析精细空化流场结构,尤其是云状空化附着型空穴结构和脱落型空穴结构行为,尚需开发适用于复杂非定常空化流场的数字图像处理技术.

本文采用多场同步测量实验技术,同步获取了可压缩空化流动瞬态空穴形态演化及壁面压力脉动,并基于开发的空化图像处理算法,对文丘里管内典型云状空化流动回射流机制和激波机制进行了研究,本文的研究目的是:(1)深入可压缩空化流动回射流机制和激波机制瞬态空穴结构演化特性;(2)不同空化脱落机制诱导壁面压力脉动特性;(3)不同机制下不同空穴结构演化特性以及汽、液相间质量传输规律.

1 实验设备及方法

1.1 实验模型

实验在北京理工大学高速闭式循环空化水洞中进行[4],模型几何尺寸如图2所示,采用收缩扩张的文丘里管,流道收缩段坡度为20$^\circ$,扩张段倾角为10$^\circ$,喉口高度为95,mm,喉口收缩比为1$:$2.在扩张段壁面上安装4个动态压电式压力传感器,可以测量空化诱导压力脉动,具体安装位置如图2所示.

图2

图2   实验段及模型几何尺寸(单位:mm)

Fig. 2   Schematic of venturi tube model and position of mounting transducer (unit: mm)


1.2 测量设备及方法

图3为多场同步测量系统示意图[11, 33],该系统同步耦合了全流场显示子系统和动态压力测量子系统.高速全流场显示系统主要包括镝灯、高速摄像机和计算机,如图3(b)所示,实验中,采集频率设定为3000帧/秒,采集时间为1.5,s.动态压力测量系统主要包括压力传感器、信号调节器、数据采集卡和计算机,如图3(c)所示,传感器为PCB公司的102A05型,量程690,kPa,灵敏度为7.3,mV/kPa,精度为0.014,kPa,信号采集卡为NI公司的PCI-613,最高可达2.5,MS/s的采样速率.实验中,压力信号采集频率为1.024,MHz,采集时间为10,s.通过自主设计开发的多功能同步触发系统,该触发系统考虑了各子系统阻抗差异,可以保证子系统的时间同步性.实验时,当调节好流动工况,闭合触发开关生成TTL信号,在该TTL上升沿信号的触发下,全流场显示系统和压力测量系统同步启动,两个系统同时开始采集数据.

图3

图3   (a)多场同步测量系统[33]及(b)同步触发系统

Fig.3   Schematic of simultaneous measurement system for (a), and control systems for (b)


1.3 图像处理方法

实验拍摄区域为文丘里管喉口及下游空化区域,拍摄时保持光源、背景和拍摄角度不变,图像采集频率为3000帧/秒,分辨率设置为752$\times $312.图4以云状空化流动典型时刻为例给出了图像处理方法,该方法基于灰度等级进行空穴结构分析,采用MATLAB程序实现,可以实现空穴面积、空穴轮廓的提取,以及不同空穴结构分割等功能.

图4

图4   图像处理方法

Fig. 4   Image processing approach


1.3.1 图像预处理

在图像预处理阶段,处理步骤为:彩色图像$\!$-$\!$-$\!$去噪$\!$-$\!$-$\!$灰度图.去噪环节包括采用RGB值调节方法去除空穴区域以外背景噪声,采用像素控制方法去除模型、标记等固定位置噪声;在灰度处理环节,根据ITU-RBT.601-7标准[41],采用RGB/BW转化公式进行灰度化,$E_{\rm Y}=0.299E'_{\rm R}+0.587E'_{\rm G}+0.114E'_{\rm E}$,得到灰度图片. 在灰度图像中,每一个像素点位置具有一个灰度值$G(x,y)$,其范围为0$\sim$255(0为黑色,255为白色),每一个灰度图片可表示 为一个像素矩阵,存储像素信息供后续处理

$${\pmb g}(x,y) = \left[\!\! \begin{array}{ccc} {G(1,1,p)} & \ldots & {G(1,n,p)} \\ \vdots & \ddots & \vdots \\ {G(m,1,p)} & \ldots & {G(m,n,p)} \end{array} \!\! \right] $$

其中,$n$为图像宽度,$m$为图像高度,$p$为灰度级. 根据灰度矩阵,可以得到空穴面积、空穴轮廓等特征参数.

1.3.2 不同空穴结构提取

为定量提取不同空穴结构形态、尺寸及演化信息,需要将空化图像中不同空穴结构如片状、云状空穴分割,如图4所示,在本文中采用连通方法识别并分割不同空穴结构,考虑到空穴结构的复杂性,分别不显著的空化图像采用像素控制方法进行分割.由于连通方法要求空穴结构内部无孔洞存在,在处理过程中,首先对灰度图片进行填充处理,然后对填充处理后的图片基于连通识别,最终分别得到附着型片状和脱落型云状空穴结构并存储其像素信息.

图中,原始图片中标记"1","2","3"和"4"分别表示#1,#2,#3和#4传感器安装位置.

本文采用的无量纲参数定义如下: 空化数 $\sigma =(p_{\infty }-p_{\rm v})/(0.5\rho U_{\rm t}^{2})$; 雷诺数$Re=U_{\rm t}H/\nu $; 傅汝德数 $Fr=U_{\rm t}/(gH)^{0.5}$; 斯特劳哈尔数 $St=fH/U_{\rm t}$. 其中,$U_{\rm t}$为喉口速度, $\rho $为水体密度,$p_{\rm v}$为饱和蒸汽压力,$p_{\infty}$为入口处静压强,$H$为喉口截面高度,$d$为试验段展向宽度, $\nu $为水体运动黏性系数,$f$为空穴脱落周期.其中, $\rho =998.16$,kg/m$^{3}$,$p_{\rm v} =2338.16$,Pa,$H =0.095$,m,$d =0.070$,m, $\nu=1.003,6\times 10^{ - 6}$,m$^{2}$/s.

实验中,文丘里管模型收缩段和扩张段角度不确定度控制在1%以内,来流速度和入口压力的不确定度在2%以内,因此,空化数的不确定度可以控制在5%以内.实验中,固定来流速度,通过调节入口压力可以得到不同来流空化数,从而得到以空化数为主要控制参数下的不同流场结构.实验研究了喉口来流速度为8.3,m/s,雷诺数为8.08$\times$10$^{5}$下不同空化阶段非定常可压缩空化流动特征,本文选择典型回射流工况: $\sigma =0.76$,$U_{\rm t}=8.3$,m/s,$Re=8.08\times 10^{5}$,$Fr=8.58$;典型激波工况: $\sigma =0.70$,$U_{\rm t}=8.3$,m/s,$Re=8.08\times 10^{5}$,$Fr=8.58$进行重点分析. 其中,雷诺数不确定度为

$$\Delta Re = \sqrt {\left( {\Delta U_{\rm t}^2 H / \nu _{\rm l} } \right)^2 + \left( {\Delta HU_{\rm t} / \nu_{\rm l} } \right)^2} = 8.29$$

空化数不确定度为

$\Delta \sigma _{\rm re} =$

$\qquad \sqrt {\left[ {\Delta p / \left( {0.5\rho _{\rm l} U_{\rm t}^2 } \right)} \right]^2 +\left[ {2\left( {p - p_{\rm v} } \right)\Delta U_{\rm t} / \left( {0.5\rho _{\rm l} U_{\rm t}^3 } \right)}\right]^2} =$

$\qquad 0.022$

$\Delta \sigma _{\rm sh} \!= $

$\qquad\sqrt {\left[ {\Delta p / \left( {0.5\rho _{\rm l} U_{\rm t}^2 } \right)} \right]^2\! +\left[ {2\left( {p - p_{\rm v} } \right)\Delta U_{\rm t} / \left( {0.5\rho _{\rm l} U_{\rm t}^3 } \right)}\right]^2} = $

$\qquad 0.021$

2 结果与讨论

云状空化流动呈现周期性复杂空穴结构演化行为,主要包括附着型空穴结构的生长、发展、断裂和大尺度脱落型空穴结构脱落、溃灭. 图5给出了云状空化典型空穴结构,可以看出,云状空化呈现丰富的空穴结构特征.在附着型空穴生长过程(图5(a)),空穴紧贴壁面向下游生长,空穴尾部存在小尺度的空泡团脱落现象[26],如图5(a)中箭头所示片状空穴尾部的U型脱落空穴结构.在大尺度空泡团脱落过程(图5(b)),断裂的空穴在主流剪切作用下形成大尺度空泡云团向下游输运,同时文丘里管喉口位置生长出新周期的附着型空穴,新生附着空穴和脱落空泡云团之间常见空穴涡带相连,如图5(b)中虚线圆圈所示.不同空穴结构行为将显著改变流场,诱导不同流体动力特性[10,22,31].云状空化具有强烈的不稳定性,其中附着型空穴的断裂、脱落机制一直是空化研究的热点和难点,前期研究工作[32-33]发现,相对于经典的回射流机制,云状空化存在着附着型空穴断裂脱落的激波机制,目前对于两种机制的特点及其发生边界尚不清楚,亟需深入研究.下面,将基于耦合高速摄像和动态压力传感器的多物理场同步测量技术,对典型回射流机制和激波机制下非定常空穴结构演化及其诱导压力脉动特性展开细致分析.

图5

图5   典型云状空化行为 ($\sigma =0.70$)

Fig. 5   Typical cavity structures in cloud cavitating flows $\sigma =0.70$


2.1 周期性空穴结构演化

图6给出了回射流机制(左)和激波机制(右)下一个空化脱落周期内高速摄像观察,水流流动方向为从左向右,如图6(a)中水平箭头所示, 回射流头部和激波前缘位置由图中箭头及相应文字标识.图7给出了基于图4图像处理方法中灰度图得到的时间平均空穴结构,统计时间为1.5,s,4500帧图片,图中轮廓虚线为$g_{\rm ave} =0.1$($g_{\rm ave}=g(x,y)/255)$,可反映空泡轮廓可以看出,激波机制下扩张段流动分离区域内空穴尺寸包括空穴厚度及空泡长度大于回射流机制下,并且蒸汽体积分数增大.表1列出了回射流和激波的运动特性,表明,回射流运动和激波传播速度接近,但回射流运动时间所占空穴脱落周期大于激波传播时间.由高速录像观察得到回射流机制下空穴脱落周期为$T_{\rm ref,re}=66.33$,ms,基于最大附着型空穴长度的斯特劳哈尔数为$St_{\rm re}=fl_{\rm cav,\max}/U_{\rm t}=0.17$;激波机制下, $T_{\rm ref,sh}=150$,ms,${St}_{\rm sh}=0.13$.

表1   回射流和激波运动特性

Table 1  Motion characteristics of re-entrant jet, and shock wave

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图6

图6   回射流机制(a)和激波机制(b)一个周期内瞬态空穴结构演化过程

Fig. 6   Experimentally observed time series of cavity behaviors during one typical cycle for (a) re-entrant jet mechanism, and (b) shock wave mechanism. Time between two consecutive images is 2/9 $T_{\rm ref}$


图7

图7   时均空泡形态. 虚线为$g{\rm ave}=0.1$, $L_{\rm W}$为图像宽度,$L_{\rm H}$为图像高度

Fig. 7   Experimentally observed time averaged grey level. $L_{\rm W}$is width of the image, $L_{\rm H}$is height of the image


激波机制下($\sigma=0.70$),周期性空穴结构演化可以分为:(1)附着型空穴生长,(2)激波产生及传播,(3)附着型空穴断裂及大 尺度空穴结构脱落,3个典型空化阶段. 在附着型空穴生长阶段($t_{\rm 1}$,$t_{2}$),附着型空穴发生于文丘里管喉口附近,随着空泡生长,空泡长度及厚度增大,同时上一周期的断裂空穴在主流剪切作用下形成空泡云团并向下游输运,附着型空穴与脱落型空穴之间存在明显水层,在水层中存在空泡漩涡结构如图6(a),如空化涡丝,涡带等,与图5(b)中观察一致,并且在附着型空穴尾部有小尺度空泡云团的脱落溃灭现象. 在激波产生、传播阶段($t_{3}$,$t_{4}$),此时脱落空泡云团已经溃灭,向上游传播的激波与附着型空穴相互作用造成当地蒸汽空泡溃灭,带来的当地含气率下降,激波前为高含气率,激波后为低含气率,由此,可以识别出激波前缘的位置,经过$0.23 T_{\rm ref}$,激波前缘由下游$x/H =1.53$传播至$x/H =0.37$(其中$x$为回射流前缘距喉口距离,$H$为喉口高度).进一步细致观察发现,当激波传播至附着型空穴前缘(即文丘里管喉口附近),附着型空穴失稳断裂[32].激波传播速度及时间见表1列出.在空泡云团脱落阶段($t_{5}$),断裂的空穴在主流作用下逐渐形成空泡云团并向下游输运,新生附着型空穴产生于文丘里管喉口位置,两种空穴结构之间由水体填充. 由于激波的作用,此时,附着空穴内部含气率较低,脱落空泡内部含气率较高,定量分析附着型和脱落型空泡内部含气率变化, 需要采用如X 射线、探针技术等[25, 32]进行测量.

回射流机制下($\sigma=0.76$),空穴结构呈现与激波机制不同的特点,包括:(1)附着型空穴生长,(2)回射流产生及推进, (3)附着型空穴断裂及大尺度空泡结构脱落. 在附着型空穴生长阶段($t_{\rm 1}$,$t_{2}$),附着型空穴产生并向下游生长,并且随着上一周期脱落型空泡云团向下游输运距离增大,脱落空穴尺寸减小,空穴高度增大,如图6(b)所示.对比图6中左右各图可知,不同于激波机制,回射流机制下附着空穴和脱落空穴之间距离较近,如图中双向箭头所示,并且存在大量离散随机空泡. 在回射流产生及推进阶段($t_{3}$, $t_{4}$),此时,上一周期脱落空泡云团尚未溃灭.回射流位于空穴底部紧贴壁面向上游运动,主要由水组成,带来局部水体含量增大,含气率下降,如图6(c)和图6(d)中箭头所示低含气率区域,经过$0.23 T_{\rm ref}$,回射流头部从下游$x/H =0.79$运动到$x/H =0.55$.在脱落空泡云团形成及脱落阶段($t_{5}$),断裂空泡逐渐向下游输运,伴随着新生附着型空穴在文丘里管喉部产生.

图8给出了回射流机制和激波机制下约3个周期内无量纲空穴面积($S/S_{\rm throat}$,左)及其面积变 化率($d(S/S_{\rm throat})/d t$,右)随时间的演化,红色曲线为空穴面积变化率趋势线,图中红色圆圈表示为图6中相应时刻.

图8

图8   3个空穴脱落周期内空穴面积及空泡面积演化,(a)回射流机制,(b)激波机制

Fig. 8   Time evolution of cavity area and cavity area change rate for (a) re-entrant jet mechanism, and (b) shock wave mechanism during approximately three cavitation cycles


考虑到空穴演化过程中空穴结构内部存在含气率变化,如在空穴溃灭过程,及回射流/激波与空穴相互作用过程,空穴尺寸不改变而内部含气率发生变化,单纯空穴几何形态无法全面描述空化结构,因此,本文采用基于空化灰度图像的考虑当地灰度值变化的空化面积计算方法,其定义为

$S_{\rm cav} = \sum_{x = 1}^N \sum_{y = 1}^M \dfrac{g\left( {x,y} \right)}{255} $

$S_{\rm non} = S_{\rm cav} / S_{\rm throat} $

其中,$M$和$N$为空化图像分辨率,本文试验中,$N=752$,$M=312$,$S_{\rm throat}=d H$.

空穴面积变化率定义为

$$S'_{\rm cav} = d\left( {S_{\rm cav} / S_{\rm throat} } \right) dt $$

图8(a)给出了不同机制下基于高速摄像观察的无量纲空穴面积及其变化率演化曲线,图中符号表示与图6中时刻一一对应.回射流机制下($\sigma=0.76$),在附着型空穴生长阶段,空穴面积逐渐增大,并达到最大值;在回射流发展及推进阶段,空穴面积逐渐减小,降至最小值,结合图6中空穴形态知,空泡面积最小值处空泡云团恰好完全溃灭,此阶段回射流运动造成空穴内部水体含量增大,空泡含气率减小,进而空泡面积减小,进一步发现空泡面积减小速率呈现减缓的趋势.在大尺度空泡云团脱落阶段,伴随着下一周期附着型空穴生长,空泡面积增大. 激波机制下($\sigma=0.70$),如图8(b)所示,在附着型空穴生长阶段,空泡面积减小,由最大值逐渐减小至最小值,结合图6中高速摄像可以看出,此时脱落空穴结构尺寸显著大于附着型空穴结构,脱落型空穴结构的快速溃灭带来空穴面积的减小,空穴面积变化率出现先急剧减小后增加的特点.在激波与空穴相互作用阶段,此时脱落空泡云团已经完全溃灭,附着型空穴尺寸几乎没有变化,由于激波在空穴内部传播造成当地空泡溃灭,其内部含气率大幅下降,此阶段空泡面积小幅下降,空泡面积变化率较小呈现稳定特点.在空穴失稳断裂及大尺度空泡云团脱落阶段,空泡面积呈现先急剧增大至最大值,然后急剧下降的特点.

为定量分析不同机制下空穴演化过程中不同空穴结构演化特性,基于图4中数字图像处理方法,提取了分割后的附着型空穴结构和脱落型空穴结构信息,进而对不同空穴结构进行定量分析.

空穴面积代表空化区域相分布,反映了空化汽、液相质量交换程度.图9列出了回射流机制和激波机制下3个空化脱落周期内无量纲空 穴面积($S_{\rm cav}$,黑线),无量纲附着型空穴面积($S_{\rm cav,a}$,红线)和无量纲脱落型空穴面积($S_{\rm cav,s}$,蓝线)演化曲线,图中标识与图6中时刻一致,表2列出了回射流机制和激波机制下附着型空穴和脱落型空穴生长速度和时间特性.对比图9表2可知,回射流机制下,两种空穴结构生长速度相近,激波机制下,脱落型空穴结构脱落速度大于附着型空穴生长速度,并且在來流雷诺数一致情况下较回射流机制下脱落速度更快. 回射流机制下($\sigma=0.76$),在附着型空穴生长阶段,附着型空穴面积经历快速增大$\!$-$\!$-$\!$缓慢增大的变化过程,脱落型空穴面积经历稳定$\!$-$\!$-$\!$快速减小的变化 过程,空穴面积整体呈现先增大$\!$-$\!$-$\!$后减小趋势.表明,在空穴生长前期,附着型空穴生长主导相间质量交换程度,在空穴生长后期,上一周期脱落空穴溃灭主导相间质量交换程度.在回射流发展阶段,脱落空泡云团面积逐渐减小,最终脱落空泡云团完全溃灭,该过程中附着型空穴面积保持稳定,整体空穴面积呈现快速减小然后稳定的变化过程. 该过程中,脱落空泡云团主导空化相间质量交换程度.在大尺度空泡云团脱落过程中,在空泡脱落前期,新生附着型空穴面积、脱落型空穴面积及整体空穴面积均呈现增大趋势,此时空化发展剧烈,大量水体相变为蒸汽.

表2   回射流机制和激波机制下附着型空穴结构和脱落型空穴结构运动特性

Table 2  Characteristics of attached cavity, and shedding cavity

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图9

图9   一个周期内空穴面积($S_{\rm cav}$,黑线),附着型空穴面积($S_{\rm cav\_a}$,红线),和脱落型空穴面积($S_{\rm cav\_s}$,蓝线)演化曲线

Fig. 9   Time evolution total cavity area ($S_{\rm cav}$, black), attached cavity area ($S_{\rm cav\_a}$, red), and shedding cavity area ($S_{\rm cav\_s}$, blue)


激波机制下($\sigma=0.70$),在附着型空穴生长阶段,附着型空穴结构面积增大,由于脱落空泡云团快速向下游高压区域输运,云团面积迅速减小,整体空穴面积呈现减小的趋势,随着云团脱落至实验拍摄区域之外,拍摄区域空泡面积增大,表明在该过程中脱落空泡云团主导相间质量传输过程.在激波传播阶段,激波与空穴相互作用导致空化介质含气率下降,空穴尺寸不变,此时空泡面积呈现小幅下降,激波诱导空泡溃灭主导相间质量交换.在空泡云团脱落过程中,随着空泡的失稳断裂,新生附着型空穴面积逐渐增大,而脱落型空穴面积呈现先增大$\!$-$\!$-$\!$减小的趋势,结合图6中高速录像可以看出,这是由于激波过后,当地压力恢复低压值,当空泡云团在喉口附近形成时由于环境压力较低,液体汽化为蒸汽,含气率升高,空化面积增大,随着脱落空泡云团输运到下游高压区,环境压力增大,空泡发生溃灭,空泡面积快速减小,此阶段脱落空泡主导相间质量交换.

2.2 空化诱导压力脉动特性研究

为进一步分析可压缩空化流动回射流机制和激波机制下空化诱导流体动力特性,图10中给出了两种机制下约3个空穴脱落周期内扩张流道内壁面4个位置处压力脉动系数($C_{p}=p/(0.5\rho U_{\rm t}^{2})$)变化曲线,图中标记与图6中时刻一一对应,图中绿色虚线分别框出了回射流推进过程和激波传播过程,为清晰显示压力信号波动,图中压力信号进行了局部平均处理[33],表3列出了5,s时间内压力信号统计量,对比各值可知,相对回射流机制,激波机制下压力脉动幅值减小,结合图6中高速录像空穴形态演化,可以看出这是由于激波机制下空穴结构呈现规则的周期性演化,并且传感器完全位于附着型空泡内部;而回射流机制下,空泡长度相对较小,传感器位于附着型空穴尾部,且受脱落型空穴影响大.表明,附着型空泡内部介质相对稳定,压力脉动较小;附着型空穴尾部具有强烈不稳定性,压力脉动较大.另一方面,相比回射流机制,激波机制压力脉冲强烈,如图10(b)中黑色箭头所示压力脉冲,这与激波的产生及其传播密切相关.

表3   回射流机制和激波机制下压力脉动信号统计特性

Table 3  Statistics of unsteady pressure fluctuations coefficient

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图10

图10   3个周期内空化诱导压力脉动

Fig. 10   Pressure fluctuations during three cavity shedding cycles


激波机制下($\sigma=0.70$),在附着型空穴生长阶段,随着空穴的生长,空穴逐渐覆盖传感器,传感器#1,#2,#3,和#4依次捕捉到急剧升高的压力信号,随着空穴完全覆盖传感器,传感器捕捉到急剧减小的压力信号,如图10(b)中所示,之后于空泡内部介质相对稳定,压力波动相对较小. 在激波传播阶段,激波前缘为高压力面,当其传播至传感器位置,传感器捕捉到大幅压力脉冲信号如图10(b)中黑色箭头所示.在空泡云团脱落阶段,断裂空穴逐渐形成大尺度空泡云团向下游输运,与此同时,文丘里管喉口生长出新一周期附着型空穴,开始下一周期,压力信号呈现周期性波动.相比激波机制下激波前缘诱导压力脉冲,回射流机制下回射流向上游运动过程中,压力脉动相对较小,回射流头部捕捉到当地压力脉动的小幅增加,并未出现大幅压力脉冲信号,如图10(a)所示.

图11给出了回射流发展和激波传播过程压力脉动及其同步高速摄像观察,图11(a)中黑色虚线分别标识A、B、C和D四个时刻,结合图11(b)中同步高速摄像可以看出,A、B、C和D时刻回射流头部和 激波前缘依次发展至#4、#3、#2和#1传感器位置.可以发现,激波机制下,随着激波向上游传播,可以观察到从下游#4传感器到#1传感器捕捉到的压力脉动幅值依次增加,如图11(a)左图所示,#3和#4传感器捕捉到压力脉动增加达5,kPa,#1和#2传感器达8,kPa,该压力脉动幅值增大量级与Ganesh等[32]试验结果一致.由于空穴结构存在三维效应,压力脉动增加的时刻与由空化图像观察到激波前缘位置存在一定偏差,因为传感器位于流道中间,传感器与相机之间存在35,mm的空泡层,空泡的遮挡使得光线无法穿透如此厚度的空泡层,常规相机无法拍摄到传感器所在截面空泡状态,然而本实验捕捉到的同步压力脉动和高速录像很好地显示了激波从下游向上游传播过程中带来的当地大幅压力脉动增加现象.相比激波过程,回射流机制下,随着回射流向上游推进,压力脉动相对平稳,可以观察到从下游#4传感器到#1传感器捕捉的压力脉动小幅增加,压力脉动增加值在2.5,kPa左右,如图11(a)右图所示.

图11

图11   回射流发展过程及激波传播过程同步压力脉动及空穴结构演化

Fig. 11   Unsteady pressure fluctuations and synchronized cavitation images in the processes


3 总结与展望

为研究可压缩空化流动特性及机理,基于建立的耦合高速录像和动态压力测量的多场同步测试方法,对文丘里管内部云状空化流动回射流机制和激波机制下非定常空穴演化及其诱导同步壁面压力脉动进行了实验研究. 基于数字化空化图像处理技术,发展了考虑含气率的空泡面积计算方法以及不同空穴结构提取算法,对不同机制下附着型空穴结构和脱落型空穴结构在空化发展过程中的发生演化特性,以及空化相间质量交换过程进行了分析. 主要结论如下:

(1)可压缩空化流动回射流机制下,空穴结构经历生长$\!$-$\!$-$\!$回射流产生及发展$\!$-$\!$-$\!$失稳断裂及大尺度空泡云团产生脱落的演化特征;激波机制下,非定常空穴结构经历生长$\!$-$\!$-$\!$激波产生及传播$\!$-$\!$-$\!$失稳断裂及大尺度空泡云团脱落的发展过程.激波产生于空穴尾部及其下游,当其向上游传播过程中,激波前缘高压带来当地空穴整体溃灭,含气率降低;而回射流产生及推进前期,大尺度脱落空泡云团尚未溃灭,在回射流运动过程中,由于其携带大量水体进入空泡,造成回射流区域局部含气率的减小.

(2)附着型空穴结构和脱落型空穴结构具有协同主导相间质量传输的特点. 附着型空穴处于生长阶段,附着型空穴主导相间质量交换,在附着型空穴生长后期,脱落型空穴溃灭主导相间质量传输过程;在回射流发展阶段,脱落空泡云团主导空化区域质量交换程度,而在激波传播过程中,附着型空穴主导相间质量交换;在空泡云团脱落阶段,空泡脱落初期,空穴面积增大,当空泡云团脱落至下游高压区域发生快速溃灭时,整体空泡面积减小,脱落空泡云团主导空化区域质量交换程度.

(3)云状空化压力脉动与空穴结构演化相一致,呈现周期性特点.在激波传播过程中,空穴尺寸无明显改变,压力脉动显著加剧,并且激波前缘位置诱导大幅压力脉冲信号;而回射流运动过程中仅在回射流头部诱导当地压力脉动值的小幅增大.

空化流动压缩性是深入空化流动机理及空化不稳定性研究的关键,然而对汽、液及其混相介质压缩性效应的认识上存在诸多问题,云状空化激波机制的发现使得压缩性的研究引起重视,下一步可在回射流机制和激波机制转捩过程压缩性效应开展研究. 空化流动包含了多尺度复杂旋涡运动,具有明显的非定常和三维流动特性,作为与激波产生密切相关的大尺度空泡云团本身具有复杂空化旋涡结构,对空泡云团、空化旋涡及激波现象耦合作用的分析将大大促进人们对空化流动机理的认识.

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