頭型對(duì)回轉(zhuǎn)體非定?？栈鲃?dòng)特性影響的實(shí)驗(yàn)研究

胡常莉，王國(guó)玉

(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081)

空化現(xiàn)象對(duì)高速航行體在水下航行過程中的水動(dòng)力特性及操縱穩(wěn)定性以及噪聲特性有著重要的影響，研究回轉(zhuǎn)體的空化流動(dòng)特性對(duì)工程實(shí)際應(yīng)用具有十分重要的意義。Ceccio S L 等[1]通過對(duì)不同頭型軸對(duì)稱體附著空穴內(nèi)的水氣阻抗測(cè)量發(fā)現(xiàn)了空泡體積的脈動(dòng)規(guī)律。Rouse H 等[2]通過實(shí)驗(yàn)的研究得到了不同頭型的回轉(zhuǎn)體表面壓力分布情況。May[3]研究了自然及通氣空化狀態(tài)下的回轉(zhuǎn)體的動(dòng)力脈動(dòng)特性及特征頻率與空泡形態(tài)之間的關(guān)系。Lindau等[4]通過數(shù)值計(jì)算的方法，分析了不同回轉(zhuǎn)體空化形態(tài)發(fā)展與回轉(zhuǎn)體阻力特性之間的關(guān)系，并研究了繞平頭回轉(zhuǎn)體空化流動(dòng)的三維特性。Katz[5]研究了不同頭型回轉(zhuǎn)體的初生空化流動(dòng)特性及其與流動(dòng)分離的關(guān)系。黃彪等[6]研究了不同頭型的回轉(zhuǎn)體形態(tài)發(fā)展特征與動(dòng)力瞬態(tài)特征的相關(guān)性規(guī)律。劉樺等[7]采用高速攝影技術(shù)對(duì)1/4平頭軸對(duì)稱體的空泡形態(tài)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)空泡形態(tài)的斷裂會(huì)產(chǎn)生低頻脈動(dòng)現(xiàn)象。顧巍等[8]研究了回轉(zhuǎn)體空泡流的噪聲特性和空泡界面的瞬態(tài)特征。傅慧萍等[9]用數(shù)值計(jì)算的方法研究了不同回轉(zhuǎn)體的空泡幾何特征。劉海軍等[10]通過數(shù)值模擬的方法研究了圓柱體出筒過程頭型對(duì)流體動(dòng)力特性的影響。目前，對(duì)不同頭型回轉(zhuǎn)體的空穴形態(tài)發(fā)展及其流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特性方面還鮮有研究。

本文綜合高速全流場(chǎng)顯示和PIV方法，研究了平頭和半錐角為45°的錐頭回轉(zhuǎn)體在多種空化數(shù)下的空穴發(fā)展及流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特性并對(duì)比分析了二者的異同。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

實(shí)驗(yàn)在一閉式循環(huán)空化水洞[11-12]進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)段的基本尺寸為0.19 m×0.07 m ×0.7 m。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑槠筋^回轉(zhuǎn)體和半錐角為45°的錐頭回轉(zhuǎn)體，通過實(shí)驗(yàn)段的上下面及前側(cè)面的透明有機(jī)玻璃窗觀察空化的流動(dòng)。圖1為高速錄像系統(tǒng)的示意圖，實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用1.2 kW鏑燈照明，高速攝像機(jī)記錄空化發(fā)展過程中的流動(dòng)演變歷程，采集速度設(shè)置為5 000 fps。圖2給出了PIV測(cè)速系統(tǒng)的示意圖，粒子成像測(cè)速儀(particle image velocimetry ,PIV)的基本組成包括CCD相機(jī)，激光器，同步器及光路系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。實(shí)驗(yàn)時(shí)，激光器按一定的頻率發(fā)出片光并由實(shí)驗(yàn)段底部射入，照亮回轉(zhuǎn)體一側(cè)流場(chǎng)中的粒子，同時(shí)由計(jì)算機(jī)控制CCD/CMOS照相機(jī)拍攝圖像并存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)內(nèi)，然后用專業(yè)的后處理軟件對(duì)圖像進(jìn)行分析計(jì)算，最終得到流場(chǎng)的速度分布、渦量分布、湍流場(chǎng)的分布等測(cè)量結(jié)果。

圖1 高速錄像觀察系統(tǒng)布置

實(shí)驗(yàn)中，無(wú)量綱參數(shù)空化數(shù)、雷諾數(shù)定義為：

(1)

(2)

式中：p∞、U∞、ρ、ν和pv分別為回轉(zhuǎn)體頭部中心上游0.21m處參考斷面上的靜壓力、平均速度(速度剖面充分均勻)、水密度、水運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)和當(dāng)?shù)仄瘔簭?qiáng)；D為回轉(zhuǎn)體橫截面的最大直徑。實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過真空泵調(diào)節(jié)參考斷面的壓強(qiáng)進(jìn)而調(diào)節(jié)空化數(shù)，流速為8.5 m/s,對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)為1.7×105。

圖2 PIV測(cè)速系統(tǒng)示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 空穴形態(tài)對(duì)比與分析

圖3分別給出了平頭及錐頭回轉(zhuǎn)體在4種不同空化數(shù)下最大空穴尺度的形態(tài)對(duì)比。可以發(fā)現(xiàn)，空化數(shù)為0.9時(shí)，2種回轉(zhuǎn)體的空穴形態(tài)均以小尺度空泡呈游離狀環(huán)繞在回轉(zhuǎn)體的頭部附近。當(dāng)空化數(shù)降低到0.8時(shí)，2種回轉(zhuǎn)體的空穴尺度均明顯增大，空穴基本均勻包裹著回轉(zhuǎn)體肩部的整個(gè)圓周，尤其是錐頭回轉(zhuǎn)體的肩部下游已出現(xiàn)似附著狀空穴薄層且空穴起始位置位于肩部稍靠后的位置，如圖3虛線框標(biāo)示所示。隨著空化數(shù)的降低，空化得以進(jìn)一步的發(fā)展，2種回轉(zhuǎn)體的空穴尺度均逐漸增大，且空穴界面漸變光滑清晰，呈橢球狀。

圖3 2種頭型回轉(zhuǎn)體的空泡形態(tài)對(duì)比

為了更好地研究隨著空化數(shù)的變化，2種回轉(zhuǎn)體的空穴發(fā)展特性及二者的差異，表1分別列出了2種回轉(zhuǎn)體在不同空化數(shù)下，6個(gè)不同發(fā)展周期內(nèi)的最大空穴尺度值，其中，統(tǒng)計(jì)量為最大空穴的長(zhǎng)度Lmax及厚度Hmax，2種尺度的定義如圖4所示。

由表1的數(shù)據(jù)可知，即使在相同的工況下，不同周期的空穴發(fā)展情況亦有所不同，因此，選用平均值作為該工況下的空穴特征尺度以分析兩種回轉(zhuǎn)體的空穴隨空化數(shù)變化規(guī)律的差異，如圖5所示，分別給出了2種回轉(zhuǎn)體的最大空穴長(zhǎng)度均值及厚度均值隨空化數(shù)的變化曲線及各段的增長(zhǎng)率值。由圖5可以發(fā)現(xiàn)，相同空化數(shù)下，平頭回轉(zhuǎn)體的最大空穴尺度均明顯大于錐頭回轉(zhuǎn)體的，尤其是最大空穴的厚度值；隨著空化數(shù)的減小，2種回轉(zhuǎn)體的最大空穴長(zhǎng)度增長(zhǎng)率均大于空穴厚度的增長(zhǎng)率。

圖4 最大空穴長(zhǎng)度及厚度的示意圖

表1 各工況下，最大空穴的長(zhǎng)度及厚度統(tǒng)計(jì)表

空化流動(dòng)具有非常明顯的非定常特性，圖6給出了空化數(shù)為0.7時(shí)，2種回轉(zhuǎn)體的空穴形態(tài)隨時(shí)間的演變過程。需要說明的是，圖6中挑選了2種回轉(zhuǎn)體的空穴發(fā)展周期相等的一組以更好地研究二者的空穴形態(tài)隨時(shí)間發(fā)展規(guī)律的異同。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，平頭回轉(zhuǎn)體的空穴在發(fā)展的過程中出現(xiàn)明顯的空穴斷裂及大尺度空泡團(tuán)脫落的現(xiàn)象，不對(duì)稱的空穴環(huán)繞在平頭回轉(zhuǎn)體的頭部附近，表現(xiàn)出極其不穩(wěn)定的狀態(tài)；錐頭回轉(zhuǎn)體的空穴發(fā)展過程沒有平頭回轉(zhuǎn)體劇烈，空穴并沒有出現(xiàn)明顯的斷裂，由于空穴的厚度較薄，最大尺度的空穴逐漸被分散為無(wú)數(shù)個(gè)小尺度的空穴，隨著時(shí)間的推移這些小尺度的空穴或繼而脫落潰滅或重新融合進(jìn)入下一個(gè)發(fā)展周期。

(a) 空穴長(zhǎng)度均值

(b) 空穴厚度均值

(a) t0 (b) t0+2.2 ms

(c) t0+4.4 ms (d) t0+6.6 ms

(e) t0+8.8 ms (f) t0+11 ms

(g) t0+13.2 ms (h) t0+15.4 ms

2.2 流場(chǎng)對(duì)比與分析

圖7給出了各空化數(shù)下2種回轉(zhuǎn)體的時(shí)均速度u分布云圖。2種頭型的測(cè)量結(jié)果均表明，在試驗(yàn)工況下繞流回轉(zhuǎn)體的流動(dòng)發(fā)生分離，但相比于平頭回轉(zhuǎn)體，繞流錐頭回轉(zhuǎn)體的流動(dòng)分離較小。隨著空化數(shù)的減小，2種回轉(zhuǎn)體的空穴對(duì)應(yīng)的低速區(qū)域增大，分離區(qū)域也逐漸外擴(kuò)，空穴厚度亦隨之增大，相比于平頭回轉(zhuǎn)體，各空化數(shù)下，錐頭回轉(zhuǎn)體的低速區(qū)域均遠(yuǎn)小于平頭回轉(zhuǎn)體。另外，相同空化數(shù)下，相比于錐頭回轉(zhuǎn)體，平頭回轉(zhuǎn)體空穴對(duì)應(yīng)的低速區(qū)域中最小速度值較小且速度梯度較大?？栈瘮?shù)逐漸減小時(shí)，由于空化的發(fā)展加速了當(dāng)?shù)亓鲌?chǎng)的動(dòng)量交換，使速度趨于均勻從而低速區(qū)域的速度梯度亦有減小的趨勢(shì)。注意到，空化數(shù)為0.7時(shí)，平頭回轉(zhuǎn)體的低速區(qū)域明顯分為前后兩部分，結(jié)合圖6可知，空穴尾部大尺度空泡團(tuán)的脫落演變過程正好對(duì)應(yīng)于流場(chǎng)中后一部分的低速區(qū)域。

(a) 平頭 σ=0.9

(b) 錐頭 σ=0.9

(c) 平頭 σ=0.8

(d) 錐頭 σ=0.8

(e) 平頭 σ=0.7

(f) 錐頭 σ=0.7

(g) 平頭 σ=0.6

(h) 錐頭 σ=0.6

圖8給出了2種回轉(zhuǎn)體在不同空化數(shù)下的時(shí)均Z向渦量云圖。這里，Z向渦量定義為：ωz=?v/?x-?u/?y?？梢园l(fā)現(xiàn)：1)各工況下，2種回轉(zhuǎn)體的高渦量區(qū)明顯分為兩部分，一部分為肩部鄰近的下游處，流動(dòng)在該處發(fā)生明顯的流動(dòng)分離，此區(qū)域速度梯度較大(見圖7)，因而始終存在比其他區(qū)域更大的渦量值，另一部分是與空穴區(qū)域相對(duì)應(yīng)的區(qū)域。2)隨著空化數(shù)減小，2種回轉(zhuǎn)體的空穴進(jìn)一步發(fā)展，雖然高渦量區(qū)域逐漸擴(kuò)大，但是渦量的最大值卻逐漸減小。3)相同空化數(shù)下，對(duì)比2種回轉(zhuǎn)體的高渦量區(qū)域特點(diǎn)可知，平頭回轉(zhuǎn)體的高渦量區(qū)域更大且離回轉(zhuǎn)體壁面更遠(yuǎn)，且由于平頭回轉(zhuǎn)體的空化發(fā)展更充分，其動(dòng)量交換作用較強(qiáng)，所以空穴內(nèi)部的高渦量值要小于錐頭回轉(zhuǎn)體。

湍動(dòng)能是表征流場(chǎng)中速度脈動(dòng)的一個(gè)物理量，時(shí)均湍動(dòng)能分布從一定程度上可以反映流場(chǎng)的穩(wěn)定性，如圖9所示，由于PIV后處理軟件功能的局限性，得到了與湍動(dòng)能相當(dāng)量的分布云圖?？梢钥闯?，各空化數(shù)下，高湍動(dòng)能區(qū)域基本對(duì)應(yīng)于兩回轉(zhuǎn)體的空化區(qū)域。隨著空化數(shù)的降低，空化不斷發(fā)展，高湍動(dòng)能的分布區(qū)域亦逐漸擴(kuò)大。相同空化數(shù)時(shí)，平頭回轉(zhuǎn)體的高湍動(dòng)能區(qū)域明顯大于錐頭回轉(zhuǎn)體且最高湍動(dòng)能值也較大，由此說明平頭回轉(zhuǎn)體空化流動(dòng)過程中流場(chǎng)波動(dòng)更強(qiáng)烈，穩(wěn)定性較差。

(a) 平頭 σ=0.9

(b) 錐頭 σ=0.9

(c) 平頭 σ=0.8

(d) 錐頭 σ=0.8

(e) 平頭 σ=0.7

(f) 錐頭 σ=0.7

(g) 平頭 σ=0.6

(h) 錐頭 σ=0.6

(a) 平頭 σ=0.9

(b) 錐頭 σ=0.9

(c) 平頭 σ=0.8

(d) 錐頭 σ=0.8

(e) 平頭 σ=0.7

(f) 錐頭 σ=0.7

(g) 平頭 σ=0.6

(h) 錐頭 σ=0.6

3 結(jié)論

分別采用高速錄像顯示技術(shù)和PIV流場(chǎng)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)方法，研究了繞平頭和錐頭回轉(zhuǎn)體的空化形態(tài)及流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特性，所得結(jié)論如下：

1)回轉(zhuǎn)體的頭型對(duì)其空穴形態(tài)隨空化數(shù)變化的發(fā)展特性有著重要的影響。相同空化數(shù)時(shí)，平頭回轉(zhuǎn)體的空穴最大尺度尤其是空穴的厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于錐頭回轉(zhuǎn)體的，而且平頭回轉(zhuǎn)體的最大空穴尺度隨空化數(shù)的變化率亦大于錐頭回轉(zhuǎn)體。

2)回轉(zhuǎn)體的頭型影響空穴發(fā)展的非定常性及流場(chǎng)的穩(wěn)定性。相同空化數(shù)時(shí)，平頭回轉(zhuǎn)體空穴形態(tài)的發(fā)展表現(xiàn)為大尺度空泡團(tuán)的脫落及融合；而錐頭回轉(zhuǎn)體則為小尺度空穴的潰滅及再融合進(jìn)而潰滅，空穴的脈動(dòng)遠(yuǎn)不及平頭回轉(zhuǎn)體，且其流場(chǎng)的穩(wěn)定性較好，因此更容易形成附著型空穴。

3)回轉(zhuǎn)體空穴形態(tài)的發(fā)展特性與流場(chǎng)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)?；剞D(zhuǎn)體的空穴區(qū)域?qū)?yīng)于低速高脈動(dòng)區(qū)域。隨著空化數(shù)的減小，空穴對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響越來越顯著，當(dāng)?shù)厮俣确植贾饾u趨于均勻。

4)由2種回轉(zhuǎn)體的空化流場(chǎng)特性可知，空穴在回轉(zhuǎn)體肩部的分離區(qū)域內(nèi)發(fā)展，隨著空化數(shù)的降低，空穴不斷發(fā)展，分離區(qū)域外擴(kuò)，同時(shí)空穴內(nèi)部流動(dòng)脈動(dòng)增強(qiáng)，從而導(dǎo)致高湍動(dòng)能區(qū)域逐漸增大。

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