空化空蚀研究方法及存在的问题

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空化空蚀研究方法及存在的问题

  

流体机械及工程    盛建萍    122080704016

摘要:本文对空化空蚀的机理进行了简单的分析,介绍了常用来研究空化效应的两种装置,并对研究空化的三种方法进行了总结和分析,发现只有三者相互借鉴,互补才能很好去研究空化现象。从目前的研究状况来看，数值模拟和可视化技术将会成为以后研究空化的重要方法和手段。

关键字：空化；空蚀 ；空化数；数值模拟；水力机械 ；

1.空化空蚀的定义及研究历史

    众所周知，液体的汽化与压力和温度有关。压力一定时，加热液体，当温度升高到某一温度值时，液体开始发生汽化，这种现象叫沸腾。另一种情况是，当温度一定时，降低压力到某一临界值时，也会发生汽化，与此同时，溶解在液体中的气体会析出，形成汽泡（或称空穴）,这就是所谓的空化现象。当这些空穴随主流运动到压力较高的区域时，泡内的蒸汽凝结，由于空泡溃灭过程发生于瞬间( 微秒级),因而在局部较小的区域内产生极高的瞬时压强,瞬间高温，并且产生强烈的微射流和冲击波。当溃灭发生在固体表面附近时,流体中不断溃灭的空泡所产生的极高压强的反复作用, 破坏固体表面, 这种现象称为空蚀。空泡溃灭还同时产生强烈的噪音和振动, 并伴随有微弱的光, 因而对船舶和水力机械的工作寿命和效率有极大的危害。对空化空蚀的发现和研究已经历了较长一段时间，但由于其自身的复杂性和技术的限制，所以还存在许多难以解决的问题，也没有形成较成熟的理论体系。1753年Euler发现:水管中某处的压强降到负值时，水即自管壁分离，而该处将形成一个真空空间。19世纪后半叶，随着蒸汽机船的发展,发现螺旋桨转速提高到一定值时,航行速度反而下降了。1873年O.Reynolds解释这种现象是因为当螺旋浆上压强降低到真空时吸入空气所致。1897年.W.Barnaby和C.A.Parsins在英国“果敢号”鱼雷艇和几艘蒸汽机船相继发生螺旋桨效率严重下降事件后，提出了“空化”的概念，并指出在液体和物体间存在高速相对运动的场合可能出现空化。1896年C.A.Parsins建立了世界上第一个研究空化的小型水洞,用闪频观测器观察空化现象。20世纪初期，在水泵和水轮机中也相继出现了同样现象;20世纪30年代高坝的泄水建筑物上也发生了空蚀破坏，因此,美国.H.A.Thomas于40年代设计并制造了减压箱，在减压条件下研究泄水建筑物的空化问题。到现在，船舶、水力机械及水利工程中空化问题的研究始终占有重要地位。本文主要介绍空化的地研究方法和研究中一些难点。

2.空化数

    在流动中影响空化的产生，发展的因素有：流场的边界形状，壁面的粗糙度，压力，温度，流动速度等。但最为重要两个因素是压力和速度。因此人们通过建立二者之间关系来描述空化的发展，即空化数。  

                                    file:///C:/Users/SJP/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-2049.png

其中，p为流场中选定点的液体的就绝对压力，file:///C:/Users/SJP/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-11420.png为液体的饱和蒸汽压力; file:///C:/Users/SJP/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-24491.png为液体的密度; v为无穷远处的液体流速。

    空化数有以下三方面的意义：

（1）判别空化的初生和衡量空化强度

（2）描述设备抗空化破坏的能力。

（3）在一定条件下描述两个流场的空化的相似性。

    空化数是一个无量纲的量，常常用它开描述空化的特性，但这种表示方法自身还是有缺陷的。

3.研究水力空化的两种装置

    常用的研究水力空化的装置有文丘里管和孔板两种。文丘里管在使用中易发生空化，这对于研究空化是十分有利的，可以通过CFD对其内部流动进行模拟，来研究空化现象。但要建立合适的物理模型和数学模型，若在fluent中模拟计算，边界条件的设定尤为重要。在数值计算过程中可以通过改变流动参数的来研究不同影响因素下空化的发生。孔板结构简单且在空化研究中容易控制，另外孔板中的空化效应要比文丘里管强，但在数值模拟方面，主要还集中在文丘里管的模拟上，有关孔板数值模拟的文献资料还很少，在这方面有待发展和研究。

4.研究空化的方法

（1）理论分析

   空化领域的相关研究成果很少,其研究最为困难,所得成果与实际需要之间的差距也很大。造成这个现象的原因,在于空化现象本身的复杂性以及测量的困难。虽然对空化发生的机理,影响空化发展的因素以及空蚀破坏的基本规律进行了大量的研究,也取得了相当多的进展,但这些研究成果基本是定性的分析或粗略的定量分析。空化涉及流体力学，热力学知识，空泡动力学等，我们可以借助相关知识对其进行分析。同时我们可以建立合理的理论模型对其进行研究。目前，与空化相关理论知识还很欠缺，有待我们去不断完善。

（2）数值模拟

     近几年来随着计算机和相关技术的的飞速发展，给研究空化带来了很多好处，人们可以借助相关软件对空化进行模拟。虽然其准性有待试验验证，但这丝毫不能否定数值模拟在空化研究中不可取代的地位。空化数值计算方法是空化数值模拟的核心技术，目前主要的空化数值计算方法有：边界积分法、空化界面自适应法、均质平衡流方法和变密度方程法。而数值模拟主要集中在两个方面:空化模型的研究和水利机械的数值模拟。目前空化数值模拟中最为常用的两个空化模型是空化界面自适应模型和VOF模型。空化界面自适应模型是一种单一流体模型，仅仅对液相进行计算，而将空泡与液相的界面视为自由表面。该自由表面的位置初始时是未知的，在计算过程中逐步求得，计算条件是由表面的压力为临界（汽化）压力。计算中需要给定空泡的初始形状，然后逐步计算空泡的变形。而VOF模型并不仅限于空化计算，更普遍地用于有自由表面的流动（例如孔口出流，泄洪闸门等）。VOF 原意为流体体积（Volume of Fluid），在带自由表面的流动计算中，它不需要在表面变化的过程中重新生成网格。由于空化的发生会严重影响化水利机械的性能，是其效率发生严重下降，甚至无法正常工作，一般是利用Rayleigh-Plesset方程计算空泡的运动和生长过程,并结合雷诺时均方程和湍流模型来计算流场。

（3）试验研究

    从目前空化的研究状况来看，试验是研究空化最主要的手段，同时也是检验理论分析和数值模拟正确性的唯一手段，同时也可以发现新现象。从国内外研究方法来主要两种方法：（1）采用外部途径(例如通过试验测定方法,得到其性能曲线),研究水力机械空化工况下的整体性能和空化相关问题。（2）随着可视化技术的发展和应用,对水力机械进行可视空化流动试验,研究内部流动规律,取得了较好的效果。如PIV粒子成像测速技术，既具备了单点测量技术的精度和分辨率，又能获得平面流场显示的整体结构和瞬态图像，可在同一时刻记录下整个流场的有关信息，并且可分别给出平均速度、脉动速度及应 变率等，同时它还是一种非接触式的测量方法。

5.结束语

    在水力机械中空化的研究是非常重要，常常与水利机械的优化设计结合在一起，提高水力机械的效率。为了避免空化现象的发生，水力机械产品出厂前都会进行空化试验（模型试验或真机试验）来测定其空化性能（空化系数σ 或空化余量 NPSH）。水力机械的空化空蚀是一个普遍的现象，但由于自身的复杂性，在许多方面的研究理论没有形成共识或者不完善，有待我们进行深入的分析和研究。

参考文献

[1]王智勇.基于fluent软件的水力空化数值模拟

[2]李与敏等.孔板水力空化数值模拟

[3]袁丹青等.水力机械空化空蚀的研究进展

[4]王常斌，王敏，于远洋，王磊，魏巍.文丘里管水力空化现象的CFD模拟

[5]刘英平.水力空化的数值模拟

[6]张涛.空蚀磨损及联合作用研究进展

[7]占梁梁.机械空化数值计算与试验研究

[8]李根生等.空化和空蚀研究机理及其影响因素

[9]卢池. 流体机械内部空化流动的数值模拟

[10]常进时.水质状况对泵装置空化性能的重要影响