掺气泡对空泡影响的高速摄影分析

为解决高速水流空化产生的空蚀破坏, 常在低压区或易发生空蚀部位上游设置掺气设施强迫 掺气, 而高速水流掺气减蚀的机理涉及空泡动力学问题.通过在直流式水洞中用高速摄影技术对半 圆柱突体的空化特性进行观察分析, 测量了半圆柱突体后空化区不同直径掺气孔及掺气体积分数 下压力和空化数的变化.揭示了半圆柱突体后空化云的形态、随流运动的演变情况, 不同直径掺气 泡对空化云及空泡和掺气泡相互作用的影响.试验结果表明在流速v =11 .67 m/ s , 掺气量分别为 0 .6 , 0 .8 , 1 .0 m3/h 的情况下, 高10 mm , 底部直径为6 mm 的半圆柱突体后2 mm 掺气孔的空化数 会达到最大值, 并且最佳掺气孔径会随掺气体积分数的增加而减小.     

不同空化数下螺旋桨叶片表面空蚀风险分布研究

探究了不同空化数下E779A螺旋桨叶片表面空蚀风险分布及其影响机制。采用大涡模拟（large eddy simulation,LES）方法和ZGB(zwart-gerbera-belamri)空化模型对不同空化数下绕E779A螺旋桨的空化流动进行了数值模拟研究,数值计算结果与实验结果吻合良好,预测的非定常空化形态与实验结果基本一致。在此基础上,基于改进的灰度值法开展了不同空化数下螺旋桨叶片表面空蚀风险研究。结果表明,改进的空蚀风险预报方法可以较好地预报空蚀风险。在其他条件一致的前提下,空化数的降低将使桨叶表面空蚀风险区域的覆盖面积增大,相应的表面空蚀风险强度最大值也将逐渐增加,桨叶表面中高空蚀风险覆盖面积随之增大。     

低固相含量液流中磨蚀翼型空化特性研究

针对水力机械内部空蚀及泥沙磨损联合作用破坏问题,探索空化促进磨损破坏的方式.在闭式循环装置的收缩-扩散实验段中,采用激光-CCD系统获取低固相含量下空化场中翼型表面多个断面的空穴结构分布,分析了空穴结构空间分布规律及其初生、发展、脱落、溃灭的周期性行为特征.针对空穴结构分布,采用了一种基于统计原理的图像处理方法,获得了空泡云平均值及标准差值的灰度分布,前者为流场中各位置的空化程度,后者为各位置空泡云体积变化率的分布.结合已有的空蚀磨损研究成果认为,水力机械内部空化促进颗粒磨损的方式取决于空穴结构及其体积变化率在流场中的分布规律.     

黏性沙级配对高速水流空化空蚀的影响

为研究黏性沙不同级配对高速水流空化空蚀的影响及机制,利用自主研发的小型循环式水洞试验装置,采用两条不同的黏性沙级配曲线进行较系统的试验研究。通过配置黏性沙小于某一粒径不同质量分数的挟沙水流,用压力动态数据采集系统实时量测水洞工作段空化区和空蚀区的压力;制作不同配合比的混凝土试件,使混凝土试件在黏性沙小于某一粒径不同质量分数工况下进行4 h的空蚀试验,以混凝土试件每小时质量损失表征空蚀量。结果表明：水洞工作段空蚀区各测点的时均压力和空化数随黏性沙小于某一粒径质量分数的减小而增大;混凝土试件空蚀量随黏性沙小于某一粒径质量分数的减小而增加;流速相同时,较高强度配合比混凝土试件的抗空蚀能力明显优于较低强度配合比的混凝土试件;较低流速下空蚀区主要位于试件前段,较高流速下则位于试件后段;试验所用黏性沙细颗粒比重越大,空蚀量越大。     

高压空化水射流破岩主要影响因素的研究

为了探讨高压空化水射流的空蚀能力与水力参数、岩石性质的相互关系及各参数影响破岩效果的内在机理,通过在不同泵压和围压条件下,针对不同孔隙率的岩石对高压空化水射流破碎岩石效果进行了一系列实验研究.结果表明:空蚀效果(空蚀质量、空蚀深度)随泵压增加成二次函数关系增加,随围压增加成二次函数关系减少;空泡云长度随泵压的增加而增大.随围压的增大而减小,并能较好的拟合成三次曲线函数关系,空泡云长度直接决定有效靶距,从而影响空蚀效果;本实验条件下,泵压在7 MPa时发生空化现象,并能破碎单轴抗压强度为96MPa的砂岩;岩石的孔隙率对空化水射流的破岩能力影响较大,孔隙率越高的岩石越容易被空化水射流破碎.     

国外泄水建筑物掺气减蚀研究

泄槽掺气设施是目前较为通用的工程减蚀措施,前人对其掺气机理与布置形式进行了大量的研究工作,其中,国外的工作侧重于机理研究,主要探讨空化空蚀的发生、水流的掺气过程及气体的逸出过程等,而国内的工作则紧密结合工程实际,重点研究掺气浓度的减蚀效果及掺气设施的布置方式。对国外相关研究工作进行了系统的回顾,希望能够在理论及实践上对我国高坝泄洪的掺气减蚀问题提供一定的借鉴。     

考虑空泡界面相变作用的空化模型及应用

基于Rayleigh-Plesset方程,在考虑空泡界面上的相变作用后,导出了一个新的空化模型,并利用此模型模拟了次生空泡的发育与溃灭.新空化模型应用于半球头航行体的结果表明:由于次生空泡不断溃灭与发育,模型表面压力由较高的溃灭压力和较低的空泡压力交替分布;随着空化数的降低,主空泡逐渐变大,次生空泡区逐渐向模型尾部移动并脱落.     

刚性壁附近球状泡溃灭时泡心运动轨迹分析

通过对忽略液体粘性等一些因素对空泡溃灭过程的影响，分析了空泡在收缩过程中，泡壁四周压强的变化，得出空泡在此不均匀压强的合力作用下向刚性边壁运动的轨迹方程。为确定空泡溃灭点，并由此确定空蚀对固壁的破坏作用作了探索性工作。     

头型对回转体非定常空化流动特性影响的实验研究

为了研究绕不同头型回转体的空穴发展特性,采用高速录像技术分别观察了绕平头和半锥角为45°的锥头回转体在不同空化数下的形态特征,应用粒子测速系统(PIV)测量了其速度、涡量及湍流脉动等分布情况。研究表明,相比于锥头回转体,同一空化数条件下,平头回转体的空穴最大尺度较大,且其随空化数的变化率亦较大;平头回转体空穴在发展的过程中表现为大尺度空泡团的融合、脱落及溃灭,表现较大的脉动,锥头回转体则为小尺度空穴的溃灭及再融合进而溃灭,空穴的脉动较小;空穴区域对应于低速高脉动区域;随着空化数的减小,速度分布趋于均匀,空穴内部流动脉动增强,高湍动能区域逐渐增大。     

尾翼对高速射弹的空化与阻力特性影响分析

为研究尾翼对高速射弹水下运动时流体动力特性的影响,基于简化Rayleigh-Plesset空化模型和SST湍流模型,通过求解汽水混合物的RANS方程和相间质量传输方程,建立了具有相同弹体尺寸的有尾翼和无尾翼的两种平头射弹水下高速运动多相流计算模型.在相同的初始速度下,计算并对比分析两种射弹水下高速非定常运动的空泡形态及阻力特性.计算结果表明:两种射弹模型在水下高速运动时,均能迅速形成稳定的自然超空泡,有尾翼射弹的尾翼刺入空泡壁面内,破坏空泡原有的对称圆截面,形成带有凸起的空泡壁面形态;有尾翼射弹阻力系数大于无尾翼射弹阻力系数,且有尾翼射弹的阻力系数对空化数的变化更为敏感,随着空化数的增加,有尾翼射弹的阻力系数急剧增大,尾翼改变了弹体尾部超空泡的溃灭形态,空泡溃灭于弹体尾部时均引起阻力系数的波动;有尾翼射弹的空泡量纲一的长度、直径均大于无尾翼射弹的空泡量纲一的长度、直径,且在空泡溃灭于弹体尾部时,受尾翼的影响,两种射弹的空泡量纲一的长度、直径的变化速率有所差异.     

宽尾墩后局部边墙对掺气效果的影响

为了解决X型宽尾墩后台阶面的掺气问题,本文提出了在宽尾墩后设置局部边墙这一新的掺气设施,采用模型试验对比研究了有无局部边墙情况下阶梯面的流态、压强、掺气效果等特性。结果表明,无局部边墙时,水流出宽尾墩后在阶梯面向两侧扩散,封堵了掺气通道,极易发生空蚀破坏;设置局部边墙后,水流出宽尾墩后由于受到边墙的约束,能形成稳定的掺气空腔,掺气充分,可有效减免台阶面的空蚀破坏。宽尾墩后局部边墙结构简单,易于施工,掺气效果好,可有效解决同类工程的掺气减蚀问题。     

出口面积对有压弯管壁面压强及空化特性影响研究

高流速有压弯曲管道流动往往会出现壁面负压、空化等水力学问题。本文结合卡基娃水电站生态流量放水管工程,采用模型试验、数值模拟及理论分析方法,研究了出口面积对有压弯管壁面压强及空化特性的影响。试验结果表明：出口面积较大时,弯管内存在较大的负压,在高水位时,弯管段水流空化数小于初生空化数;当出口面积缩小为原面积的81.6%时,在不同水位下,弯管内水流空化数增大了2~4倍,弯管在各水位时水流空化数均大于初生空化数;基于能量方程,建立了有压弯管水流空化数的理论计算方法,计算结果与模型试验及数值模拟结果吻合良好。     

Experimental study on pressure and aeration characteristics in stepped chute flows

The free flow on the step surfaces has received much attention for its representative body type,flow structure,water-air two phase flow,cavitation,and many complex issues.The experiments about the time-averaged pressure and aeration concentration distribution on the step surface show that the vertical plane of steps will inevitably experience negative pressure,which must rely on adequate aeration concentration to avoid cavitation damage.However,the self-aerated flow at the head section has a relatively low aeration concentration,and the concentration of the entire steps decreases with the increasing of weir head,the minimum appears in the vicinity of the corner,and the location is close to the minimum pressure.Thus,it is necessary to set aerator in the upstream end of the step surfaces to avoid cavitation damage.     

Characteristics of Vibration Induced by Cavitation

Cavitation-induced vibration characteristics and the relations between the vibration and cavitation are studied. Cavitation vibrations are measured around a model hollow-jet valve by an accelerometer under cavitating and non-cavitating conditions. The measurement data is analyzed by FFT method. The corresponding cavitating flow patterns are photographed by a high-speed camera with an xenon flash lamp. The frequency band of the vibration induced by cavitation is determined. To compare the vibration intensities under different cavitation conditions, a definition of vibration acceleration level is introduced based on power spectral density of the vibration. By the analysis of vibration, the definitions of characteristic cavitation number are suggested. According to these cavitation numbers, the cavitation process is divided into three stages, that is, incipient cavitation, subcavitation and supercavitation.     

双吸离心泵叶轮空化流动预测的数值分析

基于CFD数值模拟和外特性试验并重的方法,结合RNG k-ε湍流模型、欧拉两相流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型,采用非结构化网格和SIMPLEC算法,对一台单级双吸泵内的空化流场特性进行多工况下的定常数值研究,得到以下主要结论:不同流量泵内部空化发展速度不同,小流量发展速度较慢,各阶段空化数相对较小,大流量时空泡发展速度更快;液体流经双吸式叶轮结毂处与双涡壳隔板起始端时会产生液体之间或液体与固体之间的相互作用,导致流体液流角发生变化,出现脱流与漩涡,使这些位置及附近区域由于能量耗散造成压力减小,进而导致空泡析出;此现象在0.6Q_d工况下最明显,说明小流量工况液流角更易发生变化。     

旋流式竖井环形掺气坎的掺气空腔计算

通过试验对旋流式竖井的竖井段流速、压强等进行测量,计算了水流空化数.通过分析,明确了有必要在高水头旋流式竖井泄洪洞中设置掺气减蚀设施.针对旋流竖井环形掺气坎掺气空腔长度的计算问题,从旋流式竖井中水流微团的运动特点出发,运用抛射体理论,推导出旋流式竖井环形掺气坎掺气空腔长度的计算方法,同时将计算结果与试验数据进行了对比,表明给出的汁算方法具有一定的精度,可供工程设计参考.在设置环形掺气坎后,对下游竖井段时均压强影响较小,脉动压强有所增大但频率分布以5 Hz以内的低频为主,不会对井壁构成威胁.     

掺气防止消力池辅助消能工空蚀破坏的研究

对与消力池辅助消能工空蚀破坏有关的主要水力要素掺气浓度、时均水动压强进行了有无强迫掺气的对比试验研究,测量结果说明用挑跌坎式掺气设施促使入消力池水流强迫掺气,可以增大水跃主流区掺气浓度、减小易蚀区时均动水负压,有利防止空蚀破坏。另外,也证实了强迫掺气对改善水跃消能有利。     

超空泡射弹尾翼流体动力特性实验分析

为研究尾翼对超空泡流型发展及射弹流体动力的影响,在高速水洞中进行了通气条件下的超空泡射弹尾翼流体动力特性实验.首先基于高速水洞搭建了通气空化绕流实验测试系统,同时根据射弹基本外形,按照相似理论设计了尾翼测力实验模型,为改变空泡壁面与尾翼的相对位置关系,用以研究穿刺高度对射弹尾翼流体动力特性的影响,实验中采用调整空泡尺寸或模型安装姿态来改变尾翼穿刺高度,最后对实验方案的合理性进行了充分的论证.通过改变测试工况对超空泡射弹尾翼的流体动力特性开展实验研究,得到了不同穿刺条件下尾翼对空泡流型的影响规律及其流体动力特性.研究结果表明:尾翼穿刺空泡以后,在其顶部和侧面生成的二次空泡将显著改变主体空泡的形态,且随着穿刺高度的增加,尾翼对主体空泡的影响更加明显;尾翼的流体动力主要产生于前缘沾湿部位,且随着穿刺高度的增加升力系数和阻力系数均显著增加;在尾翼穿刺空泡的条件下,其阻力系数和升力系数随攻角的增大而线性增加.     

临界免蚀掺气浓度（C_k）的计算公式

基于水流掺气后对空化数影响的分析，推导出临界免蚀掺气浓度（Ｃｋ）的计　算公式，并利用乌江渡原型掺气减蚀试验观测资料进行了验证。计算结果表明，由该式预测临界免蚀掺气浓度是合理可行的。     

转速对离心泵反转用作透平空化特性的影响

透平运行中产生的空化会影响其能量的转化,因此,使用离心泵反转用作透平,利用数值模拟 的方法,对透平分别在 5 种不同转速下的、不同空化余量的内部流动规律进行了数值模拟,得出了不同转速 下透平空化的特性曲线和内部流场特性。通过分析不同转速下的空化规律,得到了透平能量转化的最佳性能 临界点,并且建立了转速与透平产生空化的临界空化余量关系。研究结果表明,转速与透平临界空化余量呈 正相关;透平工作在临界空化余量之上,透平严重空化时,空泡聚集在尾水管处,不利于流体的流出,减小 了能量的转化。