文氏管中低溫流體汽蝕過程可視化實(shí)驗(yàn)研究

趙東方 朱佳凱 徐 璐 余 柳 張小斌 陳建業(yè) 王宇辰

(浙江大學(xué)制冷與低溫研究所，浙江省制冷與低溫技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 杭州 310027)

1 引言

汽蝕是由于流場中局部壓力低于當(dāng)?shù)販囟葘?duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓而相變汽化的現(xiàn)象［1］。汽蝕現(xiàn)象普遍存在于有液體運(yùn)轉(zhuǎn)的流體機(jī)械中，如透平機(jī)械、泵等。在大多數(shù)情況下，汽蝕引起消極影響，如減少泵的揚(yáng)程，引起葉片的震動(dòng)和噪聲，剝蝕葉片表面，降低流體機(jī)械的壽命，汽蝕導(dǎo)致兩相流動(dòng)，也給流量測量帶來困難。低溫流體汽蝕現(xiàn)象也廣泛存在，如低溫火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中用來精確控制流量的文氏管，燃燒室之前的渦輪泵，汽蝕都極易發(fā)生。2003年和2004年日本的H-2火箭兩次發(fā)射失敗，都是因?yàn)槠g問題導(dǎo)致管路破損。隨著我國以液氫、液氧為燃料的大推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，汽蝕問題也成為火箭研制過程中亟待解決的重要課題。

相比于水等室溫流體，低溫流體保存及輸送過程往往處于飽和狀態(tài)或者過熱度很小，汽蝕極易發(fā)生。而且為維持流動(dòng)過程壓力減小需汽蝕產(chǎn)生足夠的蒸汽，由于低溫流體具有液體/蒸汽密度比比水小，從而需要更多飽和液體汽化，導(dǎo)致汽蝕區(qū)溫降更明顯，汽化吸熱效應(yīng)更顯著［2］。相比于常溫流體，低溫流體汽蝕溫降不能忽略［3］，低溫流體比熱和導(dǎo)熱系數(shù)小等因素也是溫降效應(yīng)明顯的原因(見表1)。同時(shí)低溫流體的飽和蒸汽壓-溫度曲線比常溫流體更為陡峭，如圖1所示，汽蝕區(qū)溫度降低導(dǎo)致飽和壓力明顯降低，因此熱效應(yīng)引起的另一個(gè)顯著特點(diǎn)是，汽蝕發(fā)生時(shí)飽和蒸氣壓力不能認(rèn)為是常數(shù)，飽和壓力降低大大遏制了汽蝕的發(fā)生。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，對(duì)于水等不考慮熱效應(yīng)的室溫流體，來流液體不能進(jìn)入汽蝕區(qū)內(nèi)部，汽蝕區(qū)實(shí)際上是個(gè)蒸汽區(qū)，維持汽蝕區(qū)壓力的蒸汽主要來自氣液界面的蒸發(fā);而對(duì)于低溫流體，來流液體能夠進(jìn)入汽蝕區(qū)內(nèi)部，汽蝕過程呈現(xiàn)氣液兩相共存的多孔霧狀，維持汽蝕區(qū)壓力的蒸汽主要來自流入汽蝕區(qū)液體的蒸發(fā)［4-5］。

表1 低溫流體與水物性參數(shù)Table 1 Physical properties of cryogenic fluids and water

圖1 氮和水的飽和蒸汽壓-溫度曲線Fig.1 Pv-T curve of nitrogen and water

低溫流體與常溫流體汽蝕存在上述差異，使得低溫流體汽蝕表現(xiàn)出特殊的機(jī)理，因此適用于常溫流體的汽蝕模型應(yīng)用于低溫流體建模需要驗(yàn)證。

2 低溫汽蝕實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀

在低溫流體汽蝕實(shí)驗(yàn)研究方面，由于與環(huán)境溫差很大及過熱度小等因素，為避免漏熱沸騰產(chǎn)生的氣泡混淆汽蝕產(chǎn)生的氣泡，應(yīng)保證低溫流體進(jìn)入汽蝕部件時(shí)處于單相(液體)狀態(tài)。因此，整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)必須真空絕熱，同時(shí)盡量減小其他漏熱，這極大增加了低溫流體汽蝕實(shí)驗(yàn)可視化觀察和壓力、溫度測量的難度。大推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)使用液氫液氧作為低溫推進(jìn)劑，NASA的Hord等人最早開展了液氫、液氧和液氮繞流水翼、文丘里管和鈍頭體的可視化實(shí)驗(yàn)［6-9］，并測量了類穩(wěn)態(tài)汽蝕時(shí)汽蝕部件溫度和壓力分布，這些數(shù)據(jù)成為以后研究者驗(yàn)證數(shù)值模型準(zhǔn)確性的“標(biāo)尺”。

日本在低溫流體汽蝕研究方面也較早，Yutaka［10］做了水及液氮繞流水翼的實(shí)驗(yàn)和模擬。水翼安裝迎角為8°，在水汽蝕實(shí)驗(yàn)中，隨著水溫升高，汽蝕數(shù)逐漸減小，現(xiàn)象由不能發(fā)生汽蝕逐漸演變?yōu)樵茽钇g，云狀汽蝕的脫離頻率f=111 Hz。在液氮的試驗(yàn)中，入口速度和汽蝕數(shù)跟高溫水基本保持一致，脫離頻率變成了 f=89.7 Hz。Ishimoto［11］等人對(duì)加壓液氮在水平方形噴嘴中的汽蝕流動(dòng)做了研究，發(fā)現(xiàn)在低雷諾數(shù)時(shí)，流動(dòng)不穩(wěn)定，汽蝕的產(chǎn)生也不可持續(xù)。在高雷諾數(shù)區(qū)域，汽蝕數(shù)隨著雷諾數(shù)的增加而增加并且與實(shí)驗(yàn)吻合較好。該實(shí)驗(yàn)測量的壓力值僅限于自由單相流區(qū)域，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)少，結(jié)構(gòu)單一，且更關(guān)注于邊界條件對(duì)汽蝕的影響。Naoki Tani［12］研究了二維拉法爾噴嘴的液氮汽蝕實(shí)驗(yàn)，測量了汽蝕區(qū)壓力分布。Niiyama［13］研究了液氮孔口流動(dòng)對(duì)汽蝕的影響，測量了汽蝕區(qū)壓力和溫度分布。Ohira K［14］研究了飽和液氮和過冷液氮在漸縮-漸擴(kuò)型噴嘴中的非穩(wěn)態(tài)汽蝕流動(dòng)，指出氣液兩相流動(dòng)中喉部速度受聲速限制，闡明了梗塞流(choked flow)和汽蝕的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)觀察到當(dāng)液氮溫度降低到76K的時(shí)候，流動(dòng)類型從連續(xù)模式轉(zhuǎn)換到間歇模式。在間歇模式中，從汽蝕發(fā)生到消失時(shí)間只有毫秒級(jí)別。在74—76 K溫度范圍內(nèi)也觀察到了間歇模式，這時(shí)汽蝕消失之前能持續(xù)幾秒鐘。實(shí)驗(yàn)還指出文氏管的汽蝕現(xiàn)象跟喉部直徑?jīng)]有關(guān)系。Barre等人［15］開展了文氏管的汽蝕實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究，從一個(gè)80 mm長的類穩(wěn)態(tài)片狀汽蝕，估算出了冷水汽蝕的空泡率和速度場，文章還發(fā)展了新的數(shù)據(jù)處理方式。

綜上所述，雖然國外研究者報(bào)道了低溫汽蝕實(shí)驗(yàn)成果，但對(duì)云狀汽蝕機(jī)理研究遠(yuǎn)未發(fā)展成熟。本文基于設(shè)計(jì)的液氮汽蝕可視化實(shí)驗(yàn)裝置，利用高速攝像機(jī)觀察汽蝕產(chǎn)生、發(fā)展和潰滅以及汽蝕從表面脫落的非穩(wěn)態(tài)過程，基于觀察分析了非穩(wěn)態(tài)汽蝕特性，探討了汽蝕尾部渦流對(duì)汽蝕脫落的機(jī)理。

3 液氮汽蝕可視化實(shí)驗(yàn)裝置

搭建的液氮汽蝕可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由液氮存儲(chǔ)部分、壓力控制部分、汽蝕可視化部分以及流量測量裝置組成，如圖2所示，所有設(shè)備都放置于可移動(dòng)的平臺(tái)上。汽蝕前管路及杜瓦均為真空絕熱結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)裝置難點(diǎn)之一是可視化汽蝕區(qū)玻璃部件和不銹鋼部件的真空密封連接，本試驗(yàn)臺(tái)采用低溫自密封結(jié)構(gòu)。汽蝕文氏管由透明有機(jī)玻璃加工制作，兩端為法蘭結(jié)構(gòu)。將一段金屬直管分別插進(jìn)金屬法蘭和有機(jī)玻璃法蘭內(nèi)孔，形成一段套管結(jié)構(gòu)，如圖3所示。室溫時(shí)，插進(jìn)金屬法蘭內(nèi)孔的那部分管段的外徑比金屬法蘭內(nèi)徑稍大，首先將直管段浸入液氮冷卻，由于熱脹冷縮直徑減小后再插入法蘭內(nèi)孔，同時(shí)在法蘭內(nèi)壁涂有一層低溫密封硅脂，以達(dá)到密封效果。在有機(jī)玻璃法蘭一端，常溫下雖然兩者配合不密封，但有機(jī)玻璃收縮率是不銹鋼的數(shù)倍，低溫下有機(jī)玻璃收縮，兩者形成非常好的密封。這種低溫自密封方式結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，能夠達(dá)到10-3Pa真空度。需要注意的是，此種密封結(jié)構(gòu)對(duì)密封面的光潔度有一定要求。實(shí)驗(yàn)裝置另一個(gè)難點(diǎn)是可視化文氏管材料的選擇，一般可選擇的材料主要有石英玻璃和有機(jī)玻璃。用于低溫可視化實(shí)驗(yàn)時(shí)，石英玻璃透明度高，低溫下幾乎無形變，與可伐合金焊接，密封性好，但質(zhì)脆，不易加工。有機(jī)玻璃剛好相反，易加工，定制性好，有一定韌性，但透明度低，低溫下收縮率高，硬度小。本實(shí)驗(yàn)采用有機(jī)玻璃制作，透明度可基本滿足可視化要求。金屬法蘭之間采用銅墊密封連接。

圖2 低溫汽蝕可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental system of cryogenic cavitation visualization

圖3 可視化實(shí)驗(yàn)部件與管道的連接Fig.3 Connection of visualization parts and pipeline

汽蝕文氏管喉部直徑為2 mm，長度為100 mm，漸擴(kuò)段傾角為17.06°。實(shí)驗(yàn)過程真空度保持10-4Pa。實(shí)驗(yàn)開始前，先對(duì)杜瓦進(jìn)行自增壓，同時(shí)打開高壓氮?dú)怃撈?，并用減壓閥調(diào)節(jié)至實(shí)驗(yàn)所需壓力，高壓氮?dú)庵苯油ㄈ攵磐邇?nèi)。打開調(diào)節(jié)閥使液氮流出杜瓦，預(yù)冷管路等部件。預(yù)冷結(jié)束后關(guān)閉調(diào)節(jié)閥，觀察文氏管入口壓力值，當(dāng)壓力達(dá)到一定值后，液氮實(shí)際上處于過冷狀態(tài)，再迅速開啟調(diào)節(jié)閥，液氮被壓出通過試驗(yàn)部件，產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象，用高速攝像機(jī)采集圖像。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)過程中背壓為大氣壓。圖4給出了汽蝕周期性形態(tài)變化，此時(shí)刻文氏管入口壓力P=0.405 MPa，圖中黑色陰影表示產(chǎn)生的汽蝕區(qū)，顏色越黑，表示氣相含量越大。由伯努利方程可知文氏管喉部有效流通面積減小，速度增大，從而靜壓降低，因此汽蝕首先發(fā)生。這里規(guī)定一個(gè)周期內(nèi)汽蝕長度最短時(shí)刻為0時(shí)刻，t=0 ms時(shí)，此時(shí)液體中的氣泡數(shù)目還不多，汽蝕長度最短。到下一時(shí)刻t=1.0 ms，汽蝕長度有所增加，顏色也逐漸加深，說明相變進(jìn)一步劇烈。至t=2.0 ms時(shí)，顏色最深，此時(shí)氣相含量在一個(gè)周期內(nèi)達(dá)到最高。汽蝕進(jìn)一步發(fā)展至潰滅階段，如圖4d所示，在潰滅區(qū)由于尾部壓力重新升高，氣泡云消散，依次從尾部成塊脫落，完成一個(gè)周期后再次重復(fù)上述形態(tài)變化，如圖4e和4f所示，如此往復(fù)循環(huán)?？梢钥吹剑g區(qū)邊界較模糊，并不存在明顯的氣液界面，汽蝕內(nèi)部實(shí)際上為氣液共存的混合兩相流，呈云霧狀，這與其他研究者報(bào)道的低溫流體類穩(wěn)態(tài)汽蝕實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象一致。這是因?yàn)閬砹饕后w能夠進(jìn)入低溫流體汽蝕區(qū)內(nèi)部，汽蝕區(qū)蒸汽主要由進(jìn)入內(nèi)部的液體蒸發(fā)產(chǎn)生。這與其他研究者報(bào)道的低溫流體類穩(wěn)態(tài)汽蝕結(jié)果一致。由于低溫流體黏性小，流動(dòng)都是高雷諾數(shù)流動(dòng)，湍流強(qiáng)度大，氣液界面不存在穩(wěn)定規(guī)則形狀。

圖4 液氮云狀汽蝕非穩(wěn)態(tài)形態(tài)(入口壓力P=0.405 MPa)Fig.4 Unsteady cloud cavitation forms of liquid nitrogen(entrance pressure P=0.405 MPa)

從圖中發(fā)現(xiàn)，汽蝕長度最短為21 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過喉部，汽蝕現(xiàn)象最強(qiáng)烈的地方不在2mm直徑的喉部區(qū)，而在緊挨著喉部的下游漸擴(kuò)段核心區(qū)，可見此處壓力最小。但同時(shí)，汽蝕并沒有緊貼在壁面上，而是隨主流往下游流動(dòng)，形成典型的云狀汽蝕(cloud cavitation)。很多數(shù)值研究及實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)［16-18］，云狀汽蝕脫離壁面是由尾部射流引起，即由于逆向壓力梯度，沿著壁面存在從下游到上游的二次射流，如圖5a和5b所示，二次射流像一把“鏟子”，插入到汽蝕區(qū)與壁面之間，一直到文氏管喉部的端部，導(dǎo)致汽蝕出了喉部后整個(gè)汽蝕區(qū)脫離壁面。一個(gè)有意思的現(xiàn)象是，對(duì)比圖5a和5b發(fā)現(xiàn)，二次射流并不是軸對(duì)稱的，首先漸擴(kuò)段上壁面二次射流強(qiáng)度較大，增大了上壁面附近的壓力，迫使汽蝕區(qū)整體偏向下壁面，見圖5a;汽蝕區(qū)與下壁面的靠近，使得下壁面附近的二次射流逐漸發(fā)展超過上壁面，在同樣作用機(jī)理下使汽蝕區(qū)整體偏向上壁面，見圖5b。結(jié)果，流道中心汽蝕區(qū)除了尾部周期性的脫落外，還存在上下周期性的搖擺現(xiàn)象，經(jīng)觀察，兩者周期不同步，上下?lián)u擺頻率f=50 Hz，遠(yuǎn)小于汽蝕尾部脫落頻率f=330 Hz。中心汽蝕區(qū)的上下?lián)u擺，也說明了汽蝕區(qū)與壁面的相互作用是觸發(fā)二次射流的原因，二次射流的發(fā)展導(dǎo)致了汽蝕的脫落。汽蝕區(qū)周期性脫落運(yùn)動(dòng)的實(shí)質(zhì)是氣泡周期性的產(chǎn)生、相互作用及尾部重新潰滅，從而產(chǎn)生周期性的壓力和流量波動(dòng)，以前的研究表明流量波動(dòng)量相對(duì)于總流量較小。壓力的波動(dòng)導(dǎo)致了汽蝕潰滅區(qū)氣相含量的周期性變化，見圖4d，在高壓處，更多氣體潰滅，導(dǎo)致氣相含量減小，顏色淺;在低壓處，更少氣體潰滅，導(dǎo)致氣相含量相對(duì)多，顏色深。

圖5 汽蝕區(qū)上下?lián)u擺現(xiàn)象Fig.5 Swing phenomenon of cavitation zone

隨著文氏管入口壓力(背壓為大氣壓不變)的減小，流速相應(yīng)減小，汽蝕發(fā)生的劇烈程度減弱。在P=0.312 MPa下，汽蝕尾部脫落頻率變?yōu)?f=250 Hz，平均汽蝕長度減小為22 mm，小于P=0.405 MPa下的32 mm。汽蝕長度在一個(gè)周期的變化幅度內(nèi)也減小，在P=0.312 MPa時(shí)，汽蝕區(qū)長度最長比最短處長了80%，而在P=0.405 MPa時(shí)，汽蝕最長比最短處長了一倍多。圖6給出了P=0.312 MPa下一個(gè)周期內(nèi)的非穩(wěn)態(tài)汽蝕圖像。

圖6 液氮云狀汽蝕非穩(wěn)態(tài)形態(tài)(入口壓力P=0.312 MPa)Fig.6 Unsteady cloud cavitation forms of liquid nitrogen(entrance pressure P=0.312 MPa)

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)并搭建了一套低溫流體汽蝕可視化實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置采用了低溫自密封結(jié)構(gòu)，密封效果良好，實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行穩(wěn)定，借助高速攝像機(jī)初步獲得了穩(wěn)定清晰的非穩(wěn)態(tài)云狀汽蝕圖像。發(fā)現(xiàn)液氮汽蝕呈云霧狀，汽蝕區(qū)除了尾部周期性脫離外，在二次射流作用下，還存在中心汽蝕區(qū)上下周期性擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。汽蝕的波動(dòng)導(dǎo)致壓力和流量波動(dòng)，壓力的波動(dòng)進(jìn)一步導(dǎo)致了汽蝕潰滅區(qū)氣相含量在空間上呈大小周期性排列。當(dāng)文氏管入口壓力減小時(shí)，汽蝕劇烈程度減弱，脫落頻率和汽蝕長度減小。本文研究為下一步進(jìn)行壓力、溫度等參數(shù)化研究奠定了基礎(chǔ)。

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