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空化泡溃灭的表面压力变化及影响

来源:长江科学院院报 浏览 281 次 发布时间:2023-06-06

近壁区空化泡溃灭过程中,常伴随着气液交界面的剧烈变形,局部气液交界面具有极大的曲率,在这些地方,表面张力往往对空化泡演化形态、溃灭强度、微射流分布具有重要的影响。而目前基于LBM伪势模型的空化泡溃灭过程的模拟极少考虑表面张力对空化泡演化的影响。因此本研究引入表面张力调节外力项,建立可调节表面张力的LBM伪势空化模型,分析不同表面张力对空化泡溃灭过程的影响,揭示表面张力对空化泡微射流流速分布、最大压力变化、空化泡形态演化的影响。


表面张力对空化泡溃灭过程的影响


本节选取空化泡内外初始压差Δp=0.003 8、0.006 8、0.010 2 mu/(lu·tu2)三种压力,无量纲距离λ=1.6条件下,不同表面张力系数对空化泡溃灭过程中溃灭形态、流场、最大微射流速度和最大溃灭压力的影响。


图1展示了Δp=0.006 8 mu/(lu·tu2)不同表面张力条件下空化泡溃灭最终形态及流场。对比不同表面张力条件下压力分布,随着表面张力减小,空化泡上方高压区面积增大,同时空化泡与壁面之间的低压区面积减小。在较小表面张力条件下,空化泡更易发生变形,界面曲率半径更小,空化泡溃灭最终时刻形变更大,导致溃灭形成的微射流流速更为集中。

图1不同表面张力条件下空化泡溃灭最终时刻密度、速度和压力分布密度


图2展示了Δp=0.006 8 mu/(lu·tu2)时不同表面张力条件下空化泡溃灭过程中最大流速和最大压力演化过程。溃灭过程中更大的表面张力条件下空化泡积蓄了更多的表面能,并在溃灭最后阶段迅速释放,导致了更大的空化泡溃灭速度。随着表面张力增加,空化泡溃灭时间增加,同时空化泡溃灭最大流速也相应增加。当表面张力由0.001 9 mu/tu2增加到0.018 3 mu/tu2时,空化泡溃灭流速由0.404 lu/tu增加到0.512 lu/tu,速度增加了26.8%。由图2(b)可知,在空化泡溃灭最后阶段,由于空化泡内水蒸气在短时间内发生相变,溃灭压力迅速增加。且更大的表面张力阻碍了空化泡的形变和溃灭,导致空化泡溃灭压力减小。在Δp=0.006 8 mu/(lu·tu2)压力条件下,当表面张力由0.001 9 mu/tu2增加到0.018 3 mu/tu2时,空化泡溃灭过程中最大压力由0.049 mu/(lu·tu2)增加到0.064 mu/(lu·tu2)。

图2不同表面张力条件下空化泡溃灭过程中最大速度和最大压力演化过程


不同表面张力和初始空化泡内外压差条件下空化泡最大微射流流速、压力和溃灭时间变化规律如图3所示。随着初始内外压差增大,不同表面张力条件下空化泡溃灭产生的最大微射流流速、最大溃灭压力均随之增大,但溃灭时间则随之减小。初始空化泡内外压差为0.003 8 mu/(lu·tu2)时,当表面张力由0.001 9 mu/tu2增加到0.018 3 mu/tu2,最大微射流流速增加了55%,最大溃灭压力增加了74%。初始空化泡内外压差增加到0.010 2 mu/(lu·tu2)时,空化泡溃灭最大微射流流速仅增加了22%,溃灭压力仅增加了6%,最大微射流流速和最大溃灭压力增加幅度均随着空化泡初始内外压差的增加而减小,说明空化泡初始内外压差的增加会减小表面张力对溃灭过程的影响。

图3不同压力条件下空化泡溃灭过程中各参数随表面张力的变化规律


而在相同压力条件下,空化泡溃灭速度、溃灭压力和溃灭时间均随着表面张力的增加而增加。根据Bjerknes力的定义,空化泡溃灭时间随着表面张力的减小而减小,而时间质量变化率则随之增大,导致Bjerknes力增大,说明较小的表面张力会促使空化泡朝向壁面发生溃灭。


依托于试验研究和宏观数值模拟方法,研究者们针对表面张力对空化的影响开展了系统性研究。LBM模拟结果表明表面张力对空化泡溃灭强度具有重要影响,其Bjerknes力随表面张力减小而增大,但溃灭强度却随之减小,模拟结果定性上与前人试验结果和数值模拟结果一致。掺气减蚀是有效减小空化空蚀的重要手段,研究表明掺气浓度将减小流体表面张力,进而减小空蚀强度。


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