通氣空泡流動(dòng)特性研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

黃 彪,黃瀚銳,劉濤濤,張孟杰,王國(guó)玉

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

0 引 言

高/超高速海戰(zhàn)裝備的創(chuàng)新發(fā)展是以高速水動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的,空化流動(dòng)作為高速水動(dòng)力學(xué)中的核心基礎(chǔ)問(wèn)題,包含了多相[1]、質(zhì)量傳輸[2]、動(dòng)量交換[3]、可壓縮[4]和湍流[5]等多種復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象,是水下發(fā)射、水中兵器、航空航天等多個(gè)國(guó)防工業(yè)領(lǐng)域面臨的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題[6]。抑制/利用空化現(xiàn)象是當(dāng)前海戰(zhàn)裝備水動(dòng)力創(chuàng)新發(fā)展的核心關(guān)鍵技術(shù)。

空化通常被認(rèn)為是一種有害現(xiàn)象,因?yàn)樗遣牧系膭兾g源,引起水力機(jī)械、船用推進(jìn)器和水翼等效率的下降[7-9];同時(shí)云狀空化階段大尺度空泡團(tuán)的發(fā)展、脫落以及潰滅過(guò)程使得船體和水中兵器殼體表面所受載荷呈現(xiàn)出很強(qiáng)的非定常特性,引起劇烈的結(jié)構(gòu)振動(dòng)并產(chǎn)生強(qiáng)烈的空化噪聲[10-11]。然而,任何事情都是具有兩面性。隨著空化的進(jìn)一步發(fā)展,空泡逐漸包裹整個(gè)繞流物體,使其與外界水體完全隔離,此時(shí)物體處于氣相中運(yùn)動(dòng),所受阻力大大降低,因而在軍事和民用領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用潛力[12-13],超空泡螺旋槳和超空泡魚雷則是其中的典范[14]。目前,超空泡的實(shí)現(xiàn)方式主要有兩種,一種是在足夠高的速度下液體汽化形成的汽相超空泡(自然超空泡)[15-16];另一種是通過(guò)在低壓區(qū)通入不可凝氣體形成的氣相超空泡(也稱為通氣超空泡)[17-18]。由于不可凝結(jié)氣體的通入,通氣超空泡可以在低速下形成,具有易于實(shí)現(xiàn)和控制等優(yōu)點(diǎn),逐漸成為各軍事強(qiáng)國(guó)水中兵器研制中優(yōu)先發(fā)展的技術(shù)[19]。

對(duì)于水下高速航行體而言,為了有效利用通氣超空泡的減阻作用,必須在水下航行體表面形成特定尺度、形態(tài)可控且相對(duì)穩(wěn)定的超空泡。然而,事實(shí)上,在大多數(shù)情況下,物體必然是從全濕流過(guò)渡到局部空泡,最后才發(fā)展為超空泡,因此通氣空泡的發(fā)展是一個(gè)漸近穩(wěn)定過(guò)程:由低頻振蕩云狀空泡、霧狀空泡,逐漸轉(zhuǎn)變成半透明的空泡,并在通氣量越過(guò)某一臨界值后,生成包圍到航行體的穩(wěn)定超空泡,如圖1 所示。很好地理解通氣空泡發(fā)展的所有階段是十分必要的。

圖1 通氣超空泡形成與發(fā)展過(guò)程[20]Fig.1 Formation and development of ventilated supercavity[20]

通氣局部空泡作為通氣超空泡發(fā)展過(guò)程中的中間形態(tài),由于空泡尺度較小,其發(fā)展過(guò)程容易受到流動(dòng)參數(shù)、通氣參數(shù)、重力效應(yīng)、湍流、非定常特性以及相應(yīng)的流體屬性等多種因素影響而呈現(xiàn)出多種不同的流動(dòng)形態(tài)[21-25]。而不同流態(tài)下的空泡流動(dòng),其表現(xiàn)出的水動(dòng)力特性也往往呈現(xiàn)出顯著差異,尤其是在云狀空泡流動(dòng)中,空泡頭部往往呈現(xiàn)出氣體與水形成的大尺度氣液交界面,空泡尾部則為自由面摻氣和尾部泄氣形成的微尺度氣泡流,從而形成一種復(fù)雜的多尺度多相流動(dòng)現(xiàn)象(如圖2所示)[26]。不同尺度空泡旋渦的生成、發(fā)展、脫落及其相互作用,會(huì)造成流體動(dòng)力發(fā)生劇烈、復(fù)雜的變化,對(duì)超空泡的生成、發(fā)展與穩(wěn)定性有著重要作用,進(jìn)而對(duì)超空泡武器發(fā)揮戰(zhàn)斗力有著重要影響。因此,本文將以不含相變的氣-液兩相通氣空泡為例,從通氣局部空泡的宏觀流態(tài)特征和非定常脫落特性兩方面介紹近年來(lái)通氣空泡流研究的進(jìn)展及尚存在的問(wèn)題。

圖2 多尺度通氣空泡示意圖[27]Fig.2 Multi-scale ventilated cavitating flow[27]

1 通氣空泡流動(dòng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)發(fā)展

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

循環(huán)水洞是開展通氣空泡流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)研究的重要平臺(tái),Reichardt[28]于1946年首次通過(guò)水洞實(shí)驗(yàn)的方式初步開展了一些關(guān)于軸對(duì)稱回轉(zhuǎn)體通氣空泡流的研究,在幾何特性和力學(xué)特性方面與自然空泡進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)兩者具有一定的相似性,并基于實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)建立了通氣空泡外形的半經(jīng)驗(yàn)公式,為之后的通氣空泡流研究奠定了基礎(chǔ)。目前,世界上已建成了多座循環(huán)水洞,極大地推動(dòng)了人們對(duì)通氣空泡流動(dòng)特性的認(rèn)識(shí)[29-37]。通氣空泡與自然空泡不同,需要人為地通入不可凝結(jié)氣體,用于產(chǎn)生和維持空泡的通氣裝置會(huì)加大流場(chǎng)的不穩(wěn)定性,增加實(shí)驗(yàn)測(cè)量的不確定性,因此水洞實(shí)驗(yàn)中通氣裝置的設(shè)計(jì)一定要注意避免使通氣本身成為實(shí)驗(yàn)測(cè)量的不穩(wěn)定源[14]。Huang等[38]基于小型循環(huán)水洞設(shè)計(jì)了一套通氣裝置,主要由氣源壓氣機(jī)、壓力控制閥、氣體穩(wěn)壓儲(chǔ)存罐、流量計(jì)以及相應(yīng)管路組成,如圖3所示,該通氣裝置可以實(shí)現(xiàn)氣體的快速平穩(wěn)通入。同時(shí)還利用該通氣裝置分析了迎角對(duì)通氣空泡流動(dòng)形態(tài)以及非定常演化過(guò)程的影響,指出隨著迎角的增大,空泡的斷裂位置逐漸向空泡末端移動(dòng)[39]。張孝石等[40]在通氣系統(tǒng)中引入了電磁閥元件,該電磁閥可以實(shí)現(xiàn)通氣啟動(dòng)、結(jié)束及穩(wěn)定狀態(tài)的通氣量調(diào)節(jié),并基于該通氣系統(tǒng)對(duì)定常和非定常(通氣啟動(dòng)和通氣關(guān)閉)通氣條件下空泡形態(tài)的演變及壁面壓力脈動(dòng)特性進(jìn)行了分析,為系統(tǒng)研究不同通氣條件下通氣空泡的流動(dòng)特性提供了可能。

圖3 通氣裝置及實(shí)驗(yàn)圖片[38]Fig.3 Sketch of the gas ventilated system and experimental photograph[38]

霍普金森壓桿發(fā)射系統(tǒng)是一種測(cè)量材料在高應(yīng)變率條件下應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的有效實(shí)驗(yàn)方法,可以在極短時(shí)間內(nèi)將物體加速至數(shù)十米等可觀速度,逐漸成為水下高速航行體水動(dòng)力學(xué)特性研究的一種重要實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[41-44]。該實(shí)驗(yàn)裝置可以實(shí)現(xiàn)真正意義上航行體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的通氣空泡流動(dòng),可有效改善人們對(duì)實(shí)際工程中通氣空泡流動(dòng)機(jī)理的認(rèn)識(shí)。然而,物體在經(jīng)該發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射后處于自由運(yùn)動(dòng)狀態(tài),如何實(shí)現(xiàn)氣體的通入成為該技術(shù)在通氣空泡流研究中的重要制約因素。中科院力學(xué)所王一偉、于嫻嫻等基于所搭建的SHPB發(fā)射系統(tǒng)(如圖4所示),通過(guò)將實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图庸こ芍锌諣?內(nèi)部噴管處設(shè)置可以自由滑動(dòng)的柱狀圓環(huán),依靠慣性力作用促使柱狀圓環(huán)遠(yuǎn)離噴管,實(shí)現(xiàn)了氣體的通入,并取得了較多成果。Wang等[45]基于該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過(guò)高速攝影技術(shù)對(duì)軸對(duì)稱航行體通氣局部空泡的非定常演化過(guò)程進(jìn)行了觀測(cè),并結(jié)合相關(guān)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果闡述了空泡的脫落機(jī)制,發(fā)現(xiàn)通氣空泡流動(dòng)中的反向射流主要沿航行體壁面呈“蛇形”向上游運(yùn)動(dòng),與通入氣體相互作用從而引起空泡發(fā)生脫落,與自然空泡的脫落機(jī)制有著明顯的不同,促進(jìn)了人們對(duì)通氣空泡脫落機(jī)制的認(rèn)識(shí)。于嫻嫻等[46]綜合實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算方法,從旋渦的演化角度對(duì)通氣空泡中呈現(xiàn)出的非穩(wěn)態(tài)演化物理機(jī)制進(jìn)行了深入探討分析,進(jìn)一步揭示了通氣空泡的脫落機(jī)制,指出二次渦的生成與發(fā)展是空泡脫落的主要誘導(dǎo)因素。

圖4 SHPB發(fā)射系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)圖片[47]Fig.4 SHPB launch system and the experimental photograph[47]

1.2 通氣空泡瞬態(tài)形態(tài)測(cè)量技術(shù)

通氣空泡形態(tài)在時(shí)間和空間上的變化,是氣液兩相摻混過(guò)程的直接反映,空泡形態(tài)的幾何尺度反映了物質(zhì)摻混的發(fā)展程度,利用高速攝影技術(shù)可以獲得瞬態(tài)宏觀的通氣空泡形態(tài)及其演化過(guò)程[37,48-49]。Karn等[34]基于高速攝影技術(shù)對(duì)前支撐空化器下的通氣超空泡宏觀流動(dòng)形態(tài)進(jìn)行了詳細(xì)分析,獲得了通氣超空泡尾部流態(tài)特征,并根據(jù)通氣率、傅汝德數(shù)和阻塞比等參數(shù)對(duì)不同情況的空泡閉合方式進(jìn)行了歸類,進(jìn)而分析了不同閉合方式間的轉(zhuǎn)變過(guò)程。然而高速攝像設(shè)備對(duì)光源比較敏感,且光線在空氣、水和觀察窗面板中發(fā)生折射等問(wèn)題,因此如何快速、準(zhǔn)確地獲取實(shí)驗(yàn)圖像并提取空泡的輪廓、多相界面邊界、空泡面積、空泡波動(dòng)周期、空泡發(fā)展速度等多種流場(chǎng)特征參數(shù)的定量信息一直是努力的方向之一。陳偉政等[50]基于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)提出了一種水洞實(shí)驗(yàn)圖像的處理方法,可以對(duì)獲得的空泡圖像邊界進(jìn)行檢測(cè)與定量標(biāo)注,有效地消除了不同介質(zhì)引起的折射誤差,具有較高的精度。Wang等[45]基于圖像處理技術(shù)準(zhǔn)確獲得了通氣云狀空泡長(zhǎng)度隨時(shí)間的變化,指出通氣云狀空泡的發(fā)展過(guò)程可以分為生長(zhǎng)、回射以及脫落潰滅等三個(gè)階段,通氣與回射流發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用,誘導(dǎo)產(chǎn)生隨機(jī)性較強(qiáng)的空泡脫落現(xiàn)象,并破壞了軸對(duì)稱特征,大大促進(jìn)了人們對(duì)通氣云狀空泡脫落的理解。Wang等[51]基于Matlab圖像處理技術(shù),對(duì)高速相機(jī)采集的圖像進(jìn)行了批量預(yù)處理和分析,獲得了不同空泡形態(tài)下空泡面積隨時(shí)間的波動(dòng)情況,并通過(guò)傅立葉變換得到了相應(yīng)的頻譜,如圖5所示,進(jìn)一步證實(shí)了回射流的充分發(fā)展與通入氣體的相互作用是形成大尺度空泡團(tuán)脫落的主要原因。Lee等[52-53]提出將通氣空泡下側(cè)外部輪廓出現(xiàn)第一個(gè)峰值處的空泡直徑作為最大的空泡直徑,空化器端面與最大空泡直徑之間距離的兩倍作為空泡長(zhǎng)度,通過(guò)與已發(fā)表相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn),相比于直接測(cè)量空泡外輪廓方法,該方法可以有效避免水洞壁面對(duì)空泡尺寸的影響,進(jìn)而獲得更加接近于開放水域下的通氣空泡尺寸。

圖5 圖像處理得到的空泡面積[51]Fig.5 Time evolution of normalized cavity area by image-processing[51]

高速攝影技術(shù)和圖像處理技術(shù)相結(jié)合已然成為通氣空泡流態(tài)分析的主要技術(shù)手段。然而,應(yīng)當(dāng)注意的是,通氣空泡流為典型的大尺度分層流和微尺度離散流共存的多尺度混合流動(dòng),目前的圖像處理技術(shù)尚不能同時(shí)對(duì)大尺度連續(xù)界面和微尺度氣泡流結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理,因此通氣空泡的精確定量化信息提取,尤其是通氣云狀空泡,依然是一個(gè)急需解決的問(wèn)題。另外,高速攝影技術(shù)只能獲取通氣空泡的宏觀流動(dòng)形態(tài),對(duì)空泡尾部尤其是水氣摻混區(qū)域的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)則無(wú)法觀測(cè),限制了人們對(duì)該區(qū)域流動(dòng)機(jī)理的認(rèn)識(shí)。Coutier-Delgosha等[54]基于內(nèi)窺鏡技術(shù)對(duì)云狀空化階段不透明水氣摻混區(qū)空泡內(nèi)部微觀形態(tài)進(jìn)行了觀測(cè),發(fā)現(xiàn)空泡內(nèi)部水氣含量分布不均,同時(shí)細(xì)小的離散氣泡并不呈球形。Makiharju等[55]發(fā)展了一種采樣頻率在1k Hz以上的X 射線速度測(cè)量裝置,對(duì)高雷諾數(shù)自然空化流動(dòng)的瞬態(tài)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測(cè)量,獲取了不同相間的體積分?jǐn)?shù)時(shí)空變化。同時(shí),Ganesh等[56]利用該技術(shù)對(duì)文丘里管自然空化流動(dòng)進(jìn)行了細(xì)致的測(cè)量,依托可獲取的豐富流場(chǎng)信息,發(fā)現(xiàn)了空化脫落的激波機(jī)制,大大加深了人們對(duì)于空化脫落機(jī)理的理解。這些新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)的開發(fā)利用,為通氣空泡內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)測(cè)量提供了新的方向。通氣空泡內(nèi)部,尤其是空泡尾部水氣混合區(qū)的多泡相互之間的非線性動(dòng)力學(xué)必然導(dǎo)致泡群在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中體現(xiàn)出強(qiáng)烈的非穩(wěn)態(tài)特性,對(duì)通氣空泡內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)測(cè)量可以大大促進(jìn)人們對(duì)通氣空泡脫落機(jī)制的認(rèn)識(shí),在今后的實(shí)驗(yàn)研究方面應(yīng)當(dāng)?shù)玫街匾暫桶l(fā)展。

1.3 通氣空泡內(nèi)部速度場(chǎng)測(cè)量技術(shù)

通氣空泡內(nèi)部速度場(chǎng)的測(cè)量對(duì)深入研究通氣空泡流動(dòng)特性有著重要作用。早期的實(shí)驗(yàn)測(cè)量主要依托于皮托管或熱線(熱膜)等單點(diǎn)接觸式測(cè)量技術(shù),該技術(shù)由于需要在流場(chǎng)中放置測(cè)量元件,容易對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生一定的干擾從而導(dǎo)致測(cè)量精度不高,逐漸被人們所淘汰。近年來(lái),隨著光學(xué)技術(shù)的發(fā)展,一些非接觸式流場(chǎng)速度測(cè)量方法,如LDV、PIV 等技術(shù)逐漸發(fā)展至成熟,滿足了通氣空泡內(nèi)部速度場(chǎng)的測(cè)量需求。但是LDV 技術(shù)主要依靠單束激光的多普勒效應(yīng)進(jìn)行速度測(cè)量,其獲得的數(shù)據(jù)多局限于空泡外部多個(gè)位置的信息,對(duì)于更為重要的空泡內(nèi)部和整個(gè)流場(chǎng)的瞬態(tài)速度信息的獲取難度較大[57-59]。PIV 技術(shù)依托跟隨性較好的示蹤粒子,通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和圖像處理技術(shù)可以較為精確地獲取流場(chǎng)中某個(gè)斷面的流速分布,從而可以提供豐富的流場(chǎng)信息[1,60-64]。然而通氣空泡多相流場(chǎng)環(huán)境使得示蹤粒子的通入和布撒更加復(fù)雜,給PIV 技術(shù)在通氣空泡內(nèi)部速度場(chǎng)的測(cè)量帶來(lái)了一定困難。

為了解決該問(wèn)題,Wosnik等[65]在流場(chǎng)中撒播固態(tài)示蹤粒子的同時(shí),采用離散氣泡作為附加示蹤粒子對(duì)通氣空泡流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測(cè)量,成功獲取了尾流場(chǎng)的速度等物理量的瞬態(tài)及時(shí)均分布,取得了良好的效果。然而通氣空泡在發(fā)展過(guò)程中,往往呈現(xiàn)出兩種典型的空泡形態(tài),分別為大量離散氣泡組成的水氣混合狀空泡和具有大尺度連續(xù)界面的透明空泡(如圖3所示)。以離散氣泡作為附加示蹤粒子可以很好地解決水氣混合狀空泡的內(nèi)部速度場(chǎng)測(cè)量,對(duì)于具有大尺度連續(xù)界面的透明空泡則仍無(wú)法很好地獲取其內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。近年來(lái),一些學(xué)者在該方面進(jìn)行了諸多探索,提出將示蹤粒子與壓縮氣體混合后一起通入流場(chǎng)的方法[66-67],該方法可以很好地解決了示蹤粒子無(wú)法進(jìn)入空泡內(nèi)部區(qū)域的難題。Wang等[51]基于該方法對(duì)于超空泡型通氣空泡形態(tài)進(jìn)行了測(cè)量,獲得了通氣空泡內(nèi)部的速度分布,其分析表明通氣空泡內(nèi)部存在一個(gè)回流區(qū),通入的氣體一部分進(jìn)入空泡內(nèi)部的回流區(qū),另一部分沿著水氣交界面向下游發(fā)展。Wu等[68]利用該方法將霧示蹤粒子通入到通氣超空泡內(nèi)部區(qū)域,得到了空泡內(nèi)部氣體的流動(dòng)狀態(tài),指出通氣空泡內(nèi)部存在通氣影響區(qū)、氣液界面高剪切區(qū)以及回流區(qū)等(如圖6所示)。同時(shí)他們?cè)诳张輧?nèi)部通氣影響區(qū)觀察到了類似于發(fā)夾渦結(jié)構(gòu),此湍流相干結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)方向與壁面有界流動(dòng)中觀察到的發(fā)夾渦方向相反,這可能是由于移動(dòng)的水氣界面產(chǎn)生的反向壁面剪應(yīng)力以及邊界層上方的反向流動(dòng)的作用。另外,當(dāng)通氣率足夠大時(shí),空泡前端往往會(huì)形成具有明顯氣液界面的透明空泡,光線在兩種介質(zhì)交界面處的折射現(xiàn)象引起激光光路發(fā)生偏轉(zhuǎn),從而導(dǎo)致拍攝得到的圖像出現(xiàn)變形和失真。仲霄等[69]、Kumar等[70]建立了空泡內(nèi)部流動(dòng)區(qū)放大還原模型和速度數(shù)據(jù)修正模型對(duì)PIV 獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,獲得了較為精確的通氣空泡內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征。

圖6 通氣空泡內(nèi)部流動(dòng)結(jié)構(gòu)[68]Fig.6 Mean internal flow field of ventilated cavity[68]

Khlifa和Coutier-Delgosha[71]發(fā)展了一種基于超高速X 射線成像的原創(chuàng)技術(shù),通過(guò)引入對(duì)射線不透明的粒子進(jìn)行液相示蹤,并基于PIV 分析來(lái)獲得兩相的速度場(chǎng),其中液相速度采用粒子相關(guān)性計(jì)算,而氣相速度用氣泡運(yùn)動(dòng)相關(guān)性計(jì)算。該方法可以同時(shí)獲取兩相各自的速度場(chǎng),發(fā)現(xiàn)兩相間存在明顯的速度滑移特征。然而應(yīng)當(dāng)注意的是,通氣空泡往往具有高度的三維流動(dòng)特性,尤其是自身已經(jīng)存在很強(qiáng)三維效應(yīng)的軸對(duì)稱回轉(zhuǎn)體,其流場(chǎng)結(jié)構(gòu)三維特性更加明顯,空泡的非定常特性也隨之發(fā)生相應(yīng)的改變,而傳統(tǒng)的PIV 技術(shù)對(duì)流場(chǎng)的測(cè)量只能實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)速度場(chǎng)的測(cè)量,大大限制了人們對(duì)通氣空泡流動(dòng)機(jī)理的認(rèn)識(shí),因此三維流場(chǎng)的測(cè)量也一直是人們極力追求的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。隨著交叉學(xué)科的發(fā)展,相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)也得到了顯著提高,尤其是三維體粒子圖像測(cè)速技術(shù)的提出,如層析PIV 技術(shù)[72-73]。該技術(shù)采用醫(yī)學(xué)層析掃描中的倍增代數(shù)重構(gòu)技術(shù)進(jìn)行三維示蹤粒子場(chǎng)重構(gòu),成功突破了以往PIV測(cè)量空間分辨率不夠的技術(shù)瓶頸,為通氣空泡內(nèi)部三維流場(chǎng)結(jié)構(gòu)測(cè)量提供了新的方向。

1.4 通氣空泡流體動(dòng)力測(cè)量技術(shù)

流體動(dòng)力作為一個(gè)可以直接體現(xiàn)通氣空泡減阻和降載效果的物理量,一直是實(shí)驗(yàn)研究人員關(guān)注的重點(diǎn)。通氣空泡流體動(dòng)力的測(cè)量主要從壓力特性和阻力特性兩方面開展研究。對(duì)于壓力特性的測(cè)量,主要通過(guò)在物體表面布置壓力測(cè)點(diǎn),借助壓力傳感器進(jìn)行測(cè)量。Arndt課題組基于壓力傳感器對(duì)通氣超空泡流動(dòng)特性開展了系列實(shí)驗(yàn)研究[18,34,49,74],依據(jù)壓力的判定發(fā)現(xiàn)通氣流量在通氣超空泡的形成和潰滅過(guò)程中存在差異,即存在滯后效應(yīng),從通氣開始到形成超空泡所需的最小通氣量比維持其形態(tài)所需的最小通氣量有所增加,并從壓力角度對(duì)通氣超空泡尾部泄氣模式轉(zhuǎn)變過(guò)程進(jìn)行了分析。王聰?shù)萚75-77]也對(duì)通氣空泡內(nèi)部壓力場(chǎng)進(jìn)行了諸多探索,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,他們發(fā)現(xiàn)超空泡內(nèi)的壓力沿流向呈下將趨勢(shì),空泡尾部壓力梯度變化很大,從而引起震蕩式回注射流的產(chǎn)生,破壞航行體的穩(wěn)定性。對(duì)于通氣局部空泡而言,流場(chǎng)的脈動(dòng)主要由空泡周期性脫落引起,相比于自然空泡,通氣空泡脫落周期趨于不明顯,脫落頻率更大。Wang等[78]采用高頻響和高靈敏度的PCB壓電式傳感器開展了主動(dòng)通氣對(duì)空化流動(dòng)非定常特性的調(diào)節(jié)作用研究,發(fā)現(xiàn)氣體通入后所有傳感器位置處測(cè)得的壓力波動(dòng)強(qiáng)度都顯著減小,說(shuō)明通氣可以有效抑制自然空化潰滅產(chǎn)生的壓力脈沖。

當(dāng)空泡增長(zhǎng)至完全或幾乎完全包裹航行體形成超空泡時(shí),通氣空泡的非定常脫落特性逐漸減弱,此時(shí)人們將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到航行體的阻力特性上。對(duì)于阻力特性的測(cè)量,主要依據(jù)六分力應(yīng)變式天平。王海濱等[79-80]對(duì)通氣超空泡的阻力特性開展了大量的實(shí)驗(yàn)研究,獲得了不同通氣率和傅汝德數(shù)下的阻力系數(shù),發(fā)現(xiàn)航行體阻力在局部空泡和超空泡階段隨通氣率的變化規(guī)律有著明顯差異,相比于局部空泡,通氣形成超空泡后航行體阻力大大降低,但如果通氣參數(shù)控制不當(dāng)航行體阻力會(huì)出現(xiàn)增大。研究為實(shí)際工程中超空泡技術(shù)的應(yīng)用提供了諸多參考。然而,應(yīng)當(dāng)注意的是,采用測(cè)力天平進(jìn)行阻力測(cè)量時(shí)必須要有后體存在,即天平必須置于實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢?nèi)部,這樣導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅厝徊捎梦仓畏绞竭M(jìn)行固定,這意味著模型阻力容易受到尾部支撐部件的影響導(dǎo)致測(cè)力天平得到的流體動(dòng)力信息可能不準(zhǔn)確[18,49,81-82]。就當(dāng)前的測(cè)力技術(shù)而言,如何在一定的支撐方式下盡可能地獲得較為準(zhǔn)確的流體動(dòng)力依然是一個(gè)急需解決的問(wèn)題。

2 通氣空泡流動(dòng)數(shù)值模擬方法研究進(jìn)展

實(shí)驗(yàn)研究盡管為人們認(rèn)識(shí)通氣空泡流動(dòng)機(jī)理提供了豐富的數(shù)據(jù),促進(jìn)了人們對(duì)該流動(dòng)的理解。但由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備和技術(shù)的限制,能夠獲取的流場(chǎng)信息較為有限,加之通氣空泡流在本質(zhì)上是一種非線性非穩(wěn)態(tài)湍動(dòng)的復(fù)雜多相流動(dòng),人們對(duì)通氣空泡流動(dòng)機(jī)理還缺乏清晰的認(rèn)識(shí)。近年來(lái),隨著計(jì)算機(jī)硬件水平的提高以及計(jì)算流體力學(xué)的迅速發(fā)展,數(shù)值模擬技術(shù)得到迅速發(fā)展,已經(jīng)成為通氣空泡流動(dòng)研究中一個(gè)重要的研究手段。在通氣空泡流動(dòng)的數(shù)值模擬中,多相流模型與湍流模型對(duì)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性有著決定性作用。

2.1 多相流模型在通氣空泡流動(dòng)中的應(yīng)用與進(jìn)展

對(duì)于通氣空泡流的理論研究最早建立在Helmoholtz和Kirchhoff提出的自由流線理論(freestreamline theory)和速度圖法(Hodograph method)基礎(chǔ)上。他們的研究為數(shù)十年之后的空泡流理論奠定了基礎(chǔ),逐漸形成了多種非線性空泡尾流數(shù)學(xué)模型,如Riabouchinsky 映象模型[83]、回射流模型[84]、開式尾流模型[85]和新開式尾流模型[86]等。20世紀(jì)50年代,Tulin[87]將空氣動(dòng)力學(xué)中的線性化方法移植于空泡流理論的研究,建立了非零空泡數(shù)線性理論,并基于小空泡理論進(jìn)行了高次修正,提出了螺旋渦模型[88],極大地推動(dòng)了空泡流理論研究和工程應(yīng)用。之后,Wu[89]、Geurst[90]、Chou[91]和Rattayya[92]等運(yùn)用該線性化理論對(duì)包括非定?？张萘髟趦?nèi)的空泡繞流進(jìn)行了大量研究。在應(yīng)用范圍上,線性化理論要比非線性化理論更廣泛。無(wú)論線性化理論還是非線性化理論,都可以從理論上有效地對(duì)一些二維定常通氣空泡流進(jìn)行求解,但勢(shì)流理論框架內(nèi)無(wú)法考慮黏性,而黏性對(duì)通氣空泡的發(fā)展、脫落和下泄等非定常過(guò)程有著直接影響。

由于通氣空泡流問(wèn)題在本質(zhì)上是非線性非穩(wěn)態(tài)湍動(dòng)的復(fù)雜多相流動(dòng),使得純解析理論計(jì)算面臨著較大的困難。隨著計(jì)算機(jī)硬件水平的提高以及計(jì)算流體力學(xué)的迅速發(fā)展,研究者將研究重點(diǎn)逐步轉(zhuǎn)移到數(shù)值模型中來(lái)。隨著對(duì)通氣空泡流研究的不斷探索和深入,通氣空泡流的數(shù)值模擬方法主要形成了兩大類。一類是基于勢(shì)流理論的邊界元型方法(Boundary element method,BEM),這種方法對(duì)空泡的脫落點(diǎn)位置和脫體角大小等假定已知,而在空泡尾部的復(fù)雜區(qū)域采用空泡閉合模型來(lái)近似兩相流行為[93-94]。這種邊界元計(jì)算方法通常應(yīng)用于定常附著空泡,可以較好地預(yù)測(cè)通氣空泡流的整體宏觀行為,但很難處理三維流動(dòng)問(wèn)題和由于閉合區(qū)的流場(chǎng)特性決定的非定常流動(dòng)行為。另一類是多相流方法,這種方法從全局出發(fā),以整個(gè)流域?yàn)榭紤]對(duì)象,在全流場(chǎng)內(nèi)布置網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和設(shè)置變量,求解Euler或N-S方程。

目前通氣空泡流的數(shù)值模擬主要沿用模擬自然空化的均質(zhì)多相流模型,該模型假定兩相流體采用相同的速度場(chǎng),密度場(chǎng)以兩相加權(quán)平均來(lái)計(jì)算,在N-S方程框架內(nèi)只求解一套方程對(duì)空泡界面發(fā)展及變形過(guò)程進(jìn)行追蹤[95-97]。由于只需要求解一組混合物的動(dòng)量和連續(xù)性方程,計(jì)算量大大減小,均質(zhì)多相流模型逐漸受到人們的青睞,特別是在工程應(yīng)用相關(guān)問(wèn)題中[98-100],其中應(yīng)用最多的是混合物模型(Mixture model)[101]和流體體積(Volume of fluid,VOF)函數(shù)模型[102]。Mixture多相流模型在含相變的氣、汽、液多相定常和非定常通氣空泡流動(dòng)模擬中得到了廣泛的應(yīng)用[46,103-107]。然而需要注意的是,通氣空泡流動(dòng)往往涉及多相界面的運(yùn)動(dòng)和變形,且多種介質(zhì)的物理屬性存在巨大差異,在相界面附近的流體物質(zhì)參數(shù)存在著階躍,而Mixture多相流模型允許相之間互相貫穿,允許相以不同的速度運(yùn)動(dòng),這暗示著該多相流模型在準(zhǔn)確定位相間的交界面時(shí)必然存在著一定的缺陷,需要結(jié)合一定的界面捕捉方法才能獲得更加可信的精細(xì)結(jié)果。Sussman等[108]基于Mixture多相流模型框架下提出了Level Set界面捕捉方法,提高了相界面的捕捉精度,大大擴(kuò)展了Mixture多相流模型在通氣空泡流動(dòng)數(shù)值模擬中的應(yīng)用。Kinzel等[109]將捕捉氣液兩相界面的Level Set方法進(jìn)行改進(jìn)并推廣應(yīng)用至氣-汽-液三相界面的捕捉,提高了空泡界面的捕捉精度,并將其與Kunz提出的均質(zhì)多相流模型進(jìn)行耦合,對(duì)回射流引起的空泡尾部氣水混合現(xiàn)象進(jìn)行了準(zhǔn)確預(yù)估。Huang等[110]基于Level Set界面處理方法,對(duì)通氣空化流動(dòng)進(jìn)行了計(jì)算,指出Level Set方法在界面捕捉方面具有較高精度(如圖7所示)。

圖7 不同界面捕捉方法預(yù)測(cè)的空泡形態(tài)與實(shí)驗(yàn)的對(duì)比[110]Fig.7 Visual comparisons of the predicted cavities with observations from experiment[110]

VOF多相流模型實(shí)際上是一種耦合了界面捕捉方法的多相流模型,認(rèn)為相間互不滲透有清晰的交界面,因此可以有效地處理復(fù)雜自由表面,在含氣液兩相的通氣空泡流動(dòng)模擬中得到了長(zhǎng)度的發(fā)展[34,111-112]。陳鑫[113]基于VOF 多相流模型對(duì)不同流動(dòng)參數(shù)和通氣參數(shù)下繞水翼的氣液兩相通氣空泡流進(jìn)行了模擬,較為準(zhǔn)確地獲得了空泡的生成、發(fā)展等非穩(wěn)態(tài)演化過(guò)程,驗(yàn)證了VOF 方法在模擬通氣空泡問(wèn)題上的適用性。無(wú)論是VOF 方法還是Level Set方法,都存在一定的缺點(diǎn),因此耦合兩種界面捕捉方法的CLSVOF 方法是近年來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。Wang等[51]耦合CLSVOF方法和均質(zhì)多相流模型對(duì)不同形態(tài)的通氣空泡斷裂、脫落演化特征進(jìn)行了數(shù)值模擬,展示了CLSVOF界面捕捉方法的優(yōu)勢(shì)。

整體來(lái)看,均質(zhì)多相流模型耦合各種界面捕捉方法可以較為準(zhǔn)確地預(yù)估氣相與液相形成的具有大尺度連續(xù)界面通氣超空泡的形態(tài)變化過(guò)程,通氣空泡流數(shù)值模擬研究取得了較大進(jìn)展,加深了人們對(duì)空泡形態(tài)宏觀變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)。但對(duì)于通氣局部空泡,尤其是通氣云狀空泡,其整體呈現(xiàn)出模糊的云霧狀,空泡內(nèi)部往往存在很強(qiáng)的氣液交互作用,而均質(zhì)多相流模型忽略了氣液速度差,導(dǎo)致數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)存在一定誤差[114]。近年來(lái),隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,考慮氣液相互作用的非均相流模型逐漸應(yīng)用到通氣空泡流動(dòng)數(shù)值計(jì)算中[97,115-117]。Xiang等[118]基于非均相流模型,考慮氣液動(dòng)量交換,開展了不同傅汝德數(shù)和通氣量下的通氣空泡流數(shù)值計(jì)算,通過(guò)對(duì)氣液速度場(chǎng)和相間作用力進(jìn)行分析,指出空泡尾部滑移速度和剪應(yīng)力較大,氣體渦團(tuán)易在尾部回射流作用下脫落。白澤宇等[119]評(píng)價(jià)了非均相流模型在通氣氣液兩相流動(dòng)中的應(yīng)用,指出相比于均相流模型,非均相流模型預(yù)測(cè)得到的空泡形態(tài)和流體動(dòng)力特性與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合更好。因此,開展考慮氣液交互作用的數(shù)學(xué)模型分析,建立更符合物理本質(zhì)的通氣空泡流多相流模型成為發(fā)展趨勢(shì)。

2.2 湍流模型在通氣空泡流動(dòng)中的應(yīng)用與進(jìn)展

高速流場(chǎng)通氣空泡發(fā)展過(guò)程中,空泡的斷裂、脫落以及潰滅等非定常行為往往與湍流結(jié)構(gòu)的生成與演化特性密切相關(guān),因此湍流模型的準(zhǔn)確性對(duì)通氣空泡流動(dòng)非定常特性的預(yù)測(cè)精度有著重要影響。長(zhǎng)期以來(lái),人們主要采用基于雷諾時(shí)均化的N-S 方程(RANS)結(jié)合湍流模型的方式對(duì)通氣空泡流動(dòng)開展相關(guān)的數(shù)值模擬研究。目前,比較常用的兩種湍流模型分別為由Launder和Spalding[120]提出的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型和由Wilcox 和Rubesin[121]提出的標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型。

標(biāo)準(zhǔn)的RANS模型采用湍流統(tǒng)計(jì)理論,通過(guò)NS方程的時(shí)間平均化求解需要的時(shí)均量,因而具有較好的收斂性和計(jì)算穩(wěn)定性,對(duì)計(jì)算資源的消耗也較低。但是該模型只能對(duì)平均流動(dòng)的靜態(tài)特性進(jìn)行預(yù)示,而在求解脈動(dòng)尺度的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)以及強(qiáng)逆壓梯度等問(wèn)題時(shí),由于過(guò)高地預(yù)測(cè)了湍流黏度,存在較為明顯的不足,因此低估了通氣空泡流動(dòng)的非定常特性。為了解決標(biāo)準(zhǔn)RANS模型無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)通氣空泡的非定常流動(dòng)特性問(wèn)題,人們對(duì)其中的湍流黏性系數(shù)進(jìn)行了諸多修正,形成了多種不同形式的湍流模式,如低雷諾數(shù)修正的線性k-ε 模型[122]、二次非線性k-ε 模型[123]、三 次 非 線 性k-ε 模 型[84]、Realizable k-ε 模型[124]、RNG k-ε 模 型[46]、二 次 非 線 性LLR k-ω 模型[125]以及k-ω SST 模型[99-100,117]等,并針對(duì)不同的流動(dòng)特點(diǎn)將其應(yīng)用到水翼、回轉(zhuǎn)體等多種載體的非定常通氣空泡流動(dòng)中。周景軍等[126]基于RNAS方程,采用分相流模型對(duì)通氣超空泡在低傅汝德數(shù)條件下的泄氣機(jī)理進(jìn)行了模擬,考慮了水-氣兩相之間的相互作用及重力效應(yīng),研究中采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型、RNG k-ε 模型和SST 模型等多種模型進(jìn)行計(jì)算,通過(guò)與經(jīng)驗(yàn)公式的定量比較,SST 模型在模擬空泡尾部泄氣方式上具有較高的精度,同時(shí)他們基于相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果闡述了通氣超空泡發(fā)展過(guò)程中回射流和雙渦管兩種泄氣方式的轉(zhuǎn)變機(jī)制,加深了人們對(duì)通氣超空泡泄氣方式的理解。郭建紅[127]評(píng)價(jià)了低雷諾數(shù)修正的線性k-ε 模型、二次非線性k-ε 模型、三次非線性k-ε模型、標(biāo)準(zhǔn)k-ω 模型以及二次非線性LLR k-ω 模型等五種湍流模式在軸對(duì)稱通氣空泡流動(dòng)中的適用性,指出不同的湍流模式下,空泡內(nèi)部回流區(qū)預(yù)測(cè)得到的渦尺度以及相應(yīng)的泡內(nèi)壓力分布會(huì)呈現(xiàn)較大差異,從而引起空泡外形以及相應(yīng)的流體動(dòng)力發(fā)生改變。

近年來(lái),隨著對(duì)通氣空泡流動(dòng)研究的深入,人們發(fā)現(xiàn)通氣空泡流動(dòng)中往往存在著不同的流動(dòng)區(qū)域,不同的湍流模型在特定的流動(dòng)區(qū)域往往具有很好的預(yù)測(cè)精度,因此采用兩種甚至多種模型進(jìn)行分域求解的思想逐漸形成并發(fā)展為多種分域湍流模型。Kinzel等[114]探索了DES分域湍流模型在通氣空泡流動(dòng)中的適用性,發(fā)現(xiàn)與RANS模型相比,DES模型在不過(guò)多消耗計(jì)算資源的同時(shí)可以更精確地模擬空泡尾部區(qū)域的反向射流,對(duì)周期性空泡整體脫落的現(xiàn)象也刻畫得較為精確。為了充分吸收大渦模擬(Large eddy simulation,LES)在空泡非定常發(fā)展演化特征上的優(yōu)勢(shì)[128],同時(shí)不過(guò)多的消耗計(jì)算資源,Wu等[129]基于濾波函數(shù)將標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型和LES有機(jī)結(jié)合,對(duì)不同的流動(dòng)區(qū)域進(jìn)行濾波修正,以捕捉大尺度空泡團(tuán)斷裂、脫落及潰滅所造成的非定常特性。時(shí)素果等[130]、段磊等[131]、Wang等[38]分別應(yīng)用FBM 模型對(duì)繞軸對(duì)稱回轉(zhuǎn)體通氣空泡流動(dòng)進(jìn)行了模擬,指出FBM 模型在刻畫通氣空泡尾部產(chǎn)生的旋渦結(jié)構(gòu)以及捕捉大尺度空泡團(tuán)脫落特性時(shí),具有更高的精度(如圖8所示),促進(jìn)了人們對(duì)通氣空泡非定常脫落機(jī)制的認(rèn)識(shí)。

圖8 不同湍流模型預(yù)測(cè)得到的空泡形態(tài)演化過(guò)程(Fr＝14.25,CQ ＝0.033)[131]Fig.8 Time evolution of the ventilated cavity shapes with different turbulent models(Fr＝14.25,CQ ＝0.033)[131]

近年來(lái),隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,計(jì)算資源越來(lái)越充分,促進(jìn)了LES在通氣空泡流動(dòng)模擬中的應(yīng)用。在大渦模擬中,對(duì)于大尺度的旋渦結(jié)構(gòu)利用直接數(shù)值模擬進(jìn)行求解,對(duì)于小尺度的旋渦結(jié)構(gòu)利用亞格子模型進(jìn)行模化處理,因而具有較高的模擬精度。王一偉等[42]采用大渦模擬方法對(duì)回轉(zhuǎn)航行體的通氣云狀空泡流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,發(fā)現(xiàn)大渦模擬相比于以往的RANS均勻化模型可以獲得更多更好的流動(dòng)細(xì)節(jié),并基于計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)通氣與回射流誘導(dǎo)產(chǎn)生的二次渦是導(dǎo)致通氣空泡發(fā)生斷裂脫落的主要原因(如圖9所示)。胡曉等[132]對(duì)比了RANS 模型和LES模型對(duì)通氣空泡尾部氣體泄漏方式和空泡外形的影響,發(fā)現(xiàn)RANS模型計(jì)算的空泡內(nèi)壓力較大,空泡長(zhǎng)度更長(zhǎng),而LES的瞬態(tài)計(jì)算結(jié)果更符合通氣空泡的特性,相對(duì)而言更適用于通氣空泡流的模擬。Wang等[51]為了研究通氣空泡多相湍流旋渦特性與演化規(guī)律,對(duì)繞鈍體的通氣空泡流動(dòng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究與大渦模擬分析,指出鈍體尾跡區(qū)時(shí)均湍流場(chǎng)分布與通氣空泡形態(tài)具有很強(qiáng)的相關(guān)性:對(duì)于旋渦脫落型空泡形態(tài),時(shí)均速度場(chǎng)基本呈對(duì)稱分布,時(shí)均渦量場(chǎng)呈反對(duì)稱分布;隨著通氣率的增加,空泡渦帶向下游延伸逐漸發(fā)展成回射流型空泡形態(tài),由于回射流的作用,速度場(chǎng)呈不對(duì)稱分布。

圖9 通氣云狀空泡的非定常脫落過(guò)程[42]:實(shí)驗(yàn)結(jié)果,水組分云圖,渦量云圖及流線(從左到右)Fig.9 Unsteady shedding evolution of of ventilated cloud caviting flow:experiemntal results,water fraction contounrs and streamlines(from left to right)

總體來(lái)說(shuō),人們基于RANS模型對(duì)通氣空泡流動(dòng)開展了大量數(shù)值計(jì)算工作,通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)RANS 模型的不同修正,在一定精度上預(yù)測(cè)得到了通氣空泡的流動(dòng)特性,滿足了工程中對(duì)通氣空泡流動(dòng)的模擬需要。然通氣空泡流動(dòng)在本質(zhì)上是一種非線性非穩(wěn)態(tài)湍動(dòng)的復(fù)雜多相流動(dòng),尤其是含相變的通氣空泡流動(dòng),空氣相與蒸汽相相互耦合更加劇了流場(chǎng)的復(fù)雜性,RANS模型不能獲得更多的流場(chǎng)細(xì)節(jié),限制了人們?cè)谕饪张萘鲃?dòng)工作的推進(jìn)。大渦模擬方法在通氣空泡流動(dòng)問(wèn)題中的逐步應(yīng)用使得其相對(duì)于RANS模型的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)地更加明顯,一些更多的流場(chǎng)細(xì)節(jié)的捕捉極大地改善了人們對(duì)通氣空泡流動(dòng)機(jī)理的認(rèn)識(shí)?？梢灶A(yù)測(cè)的是,在未來(lái)的通氣空泡流動(dòng)數(shù)值計(jì)算中,無(wú)論是氣液兩相還是氣-汽-液三相,LES將會(huì)發(fā)揮其本身所具有的巨大優(yōu)勢(shì)。

然而,值得注意的是,面對(duì)通氣空泡與湍流相互作用這一難題,數(shù)值模擬方法仍面臨許多困難與挑戰(zhàn)。例如,當(dāng)前的模擬手段基本上采用了由單相湍流模型向氣液兩相介質(zhì)湍流模型拓展的思路,即采用了單一介質(zhì)湍流理論,其中的混合密度、混合黏度、混合湍流黏度由兩相介質(zhì)的性質(zhì)線性加權(quán)得到,可能無(wú)法精確預(yù)測(cè)空泡內(nèi)部流動(dòng)結(jié)構(gòu);再者,大量小尺度氣泡構(gòu)成的氣泡群運(yùn)動(dòng)對(duì)宏觀流場(chǎng)及湍流脈動(dòng)會(huì)產(chǎn)生顯著的影響[133-136],其涉及到的多尺度模擬方法仍未構(gòu)建。

鑒于此,一些新的思路逐漸發(fā)展起來(lái),例如采用連續(xù)相和離散相耦合求解的方法逐漸應(yīng)用到多相流動(dòng)中,即連續(xù)相采用歐拉方法描述,離散相采用拉格朗日方法捕捉,兩相之間的相互作用采用整體平均,即歐拉-拉格朗日方法。相比歐拉/歐拉耦合算法,歐拉-拉格朗日方法具有明顯的優(yōu)勢(shì),但由于微尺度和宏觀尺度之間的相互耦合作用機(jī)理尚不明確,在數(shù)理建模上尚處于探索階段。Tomar等[137]采用緊鄰單元算法實(shí)現(xiàn)VOF方法和拉格朗日方法的轉(zhuǎn)換,然而需要每個(gè)時(shí)間步搜索所有網(wǎng)格單元,計(jì)算量很大。Ma和Hsiao等[138]采用耦合level set方法處理自由液面,兩流體方法處理小汽泡的方法,成功模擬了大尺度水躍和射流尾跡問(wèn)題,通過(guò)采用基于吸氣模型的自由表面穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)了不同尺度之間的轉(zhuǎn)化,相比網(wǎng)格單元的全局搜索,大大降低了計(jì)算資源消耗。Hsiao和Ma等[139]進(jìn)一步將此方法應(yīng)用于自然空化流動(dòng)中,提出了一種基于歐拉-拉格朗日耦合方法的多尺度空化模型。在該模型中,采用一個(gè)小尺度模型以追蹤微觀空泡的軌跡,利用大尺度模型描述大空泡團(tuán)的動(dòng)力學(xué)特性,兩者通過(guò)一個(gè)過(guò)渡函數(shù)進(jìn)行橋接。該模型可以清晰地反映小氣泡生長(zhǎng)成為宏觀空泡,并相互融合形成片狀空泡的過(guò)程?？傮w來(lái)看,自然空化的多尺度模擬方法得到了一定的發(fā)展,加深了人們對(duì)空化區(qū)域內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)和宏觀流動(dòng)特性的內(nèi)在聯(lián)系,然而通氣空泡流動(dòng)的多尺度模擬方法尚未開展,建立能夠準(zhǔn)確描述空泡內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其對(duì)宏觀流場(chǎng)和湍流脈動(dòng)影響的多尺度數(shù)值計(jì)算模型仍然是今后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)的努力方向。

3 通氣空泡流動(dòng)研究中的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題研究進(jìn)展

3.1 通氣空泡的流態(tài)特征

對(duì)于通氣空泡而言,由于不可凝結(jié)氣體的注入,加之受到重力效應(yīng)與通氣率等因素的影響,其流態(tài)特征與自然空泡呈現(xiàn)出明顯的不同,不同的空泡形態(tài)呈現(xiàn)出的水動(dòng)力特性也存在較大差異。在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究領(lǐng)域,如何在物體表面形成特定尺度和形態(tài)可控的通氣空泡也一直是機(jī)理研究工作的難點(diǎn)和關(guān)鍵。

國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者對(duì)通氣空泡流動(dòng)機(jī)理開展了研究,尤其是通氣超空泡流態(tài)轉(zhuǎn)變機(jī)制方面,取得了諸多有益的成果,為工程實(shí)際中運(yùn)用超空泡武器提供了參考價(jià)值。Cox和Clayden[140]首次通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了通氣超空泡尾部的泄氣方式,描述了雙渦管泄氣與回射流泄氣兩種泄氣方式下的流動(dòng)特性,并比較了兩種泄氣方式下所需的通氣量,認(rèn)為雙渦管泄氣方式下所需的最少通氣量較回射流方式往往有所增加。Savchenko等[30]在通氣超空泡流動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)研究中引入了微型傳感器,并結(jié)合高速攝影技術(shù)分析了雙渦管泄氣模型的形成機(jī)制,指出在通氣狀態(tài)下,當(dāng)存在對(duì)空泡軸線垂直作用重力場(chǎng)時(shí),空泡出現(xiàn)上漂導(dǎo)致上、下表面空泡呈現(xiàn)不對(duì)稱,在空泡的下表面容易形成液體波峰,此液體波峰由空泡前端逐漸向空泡尾部遞增,最后將空泡分割為兩個(gè)獨(dú)立渦管。Arndt和Hong等[18,27,34,53,65,70,74]基于前述的高速攝影和PIV技術(shù)等實(shí)驗(yàn)手段,對(duì)繞空化器和回轉(zhuǎn)體的通氣超空泡流動(dòng)機(jī)理進(jìn)行了系列研究,獲得了通氣超空泡尾部流態(tài)特征(如圖10所示),并根據(jù)通氣率、傅汝德數(shù)和阻塞比等參數(shù)對(duì)不同情況的流態(tài)特征進(jìn)行了歸類,從空泡內(nèi)外壓差角度闡釋了不同流態(tài)間的轉(zhuǎn)變過(guò)程。隨著通氣量的增大,空泡尾部?jī)?nèi)外壓差增大,空泡閉合方式由回射流泄氣逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗臏u管泄氣和雙渦管泄氣。何友聲等[141]基于數(shù)值計(jì)算分析了三維軸對(duì)稱通氣超空泡航行體的壓力場(chǎng),指出泡內(nèi)壓力呈不均勻分布,形成一定的壓力差,在此壓力差作用下泡內(nèi)氣體形成沿周向的二次流動(dòng),進(jìn)而形成了渦管泄氣流態(tài)特征。Kawakami等[18]和Wang等[38]在通氣超空泡的形成過(guò)程中觀測(cè)到了兩種不同形式的反向射流:第一種形式的反向射流出現(xiàn)在回射流泄氣向雙渦管泄氣之前,且通入氣體量較小時(shí),此時(shí)空泡整體長(zhǎng)度較小,呈現(xiàn)出云霧狀,氣液界面模糊;第二種形式的反向射流出現(xiàn)在第一種形式向雙渦管泄氣轉(zhuǎn)變的過(guò)程中,空泡整體呈現(xiàn)出透明狀,只有尾部出現(xiàn)小范圍的云霧狀。Wu等[68]將霧示蹤粒子通入到通氣超空泡內(nèi)部區(qū)域,得到了空泡內(nèi)部氣體的流動(dòng)狀態(tài),觀測(cè)到了回射流泄氣和雙渦管泄氣共存的流動(dòng)形態(tài),并指出回射流泄氣主要由空泡尾部流動(dòng)分離產(chǎn)生的逆壓梯度所導(dǎo)致,雙渦管泄氣來(lái)源于所形成的空泡三維不對(duì)稱性。類似的工作還有很多[52,142-143]。大多數(shù)的工作表明,通氣空泡的流態(tài)特征易受到多種因素影響,通氣流量和重力是兩個(gè)極為關(guān)鍵的參數(shù)。

通氣流量的大小往往直接決定著形成的空泡的外形,改變通氣流量可以有效地調(diào)節(jié)空化數(shù),進(jìn)而影響空泡的流態(tài)特征。通氣量過(guò)小將不易形成連續(xù)空泡,過(guò)大將導(dǎo)致形成的空泡界面發(fā)生振蕩,在適當(dāng)?shù)耐饬糠秶鷥?nèi),空泡長(zhǎng)度隨著通氣量的增加呈現(xiàn)一定規(guī)律性的增大。同時(shí)通氣流量在通氣超空泡的形成和潰滅過(guò)程中也存在差異,即存在滯后效應(yīng),從通氣開始到形成超空泡所需的最小通氣量比維持其形態(tài)所需的最小通氣量有所增加。此外,對(duì)于形成形態(tài)可控的超空泡還存在臨界的通氣率。對(duì)于重力而言,由于通氣空泡可以在較低的流速下產(chǎn)生,當(dāng)來(lái)流速度與重力方向不一致時(shí),重力場(chǎng)造成空泡前部下沉尾部上翹,引起空泡中線由直線轉(zhuǎn)變?yōu)镾形,而當(dāng)組合參數(shù)Fr2(1+σ)＞50時(shí),重力引起的空泡變形量小于0.5%。

圖10 典型的通氣超空泡流動(dòng)形態(tài)[34]Fig.10 Typical ventilated supercavitating flow patterns[34]

事實(shí)上,在大多數(shù)情況下,物體必然是從全濕流過(guò)渡到局部空泡,最后才發(fā)展為超空泡;同時(shí)考慮到工程實(shí)際問(wèn)題中魚雷、潛射導(dǎo)彈等攜帶的氣體量有限,當(dāng)通入的氣體量不足以形成超空泡時(shí),空泡閉合于航行體表面,其長(zhǎng)度小于航行體長(zhǎng)度,形成通氣局部空泡。相對(duì)而言,針對(duì)通氣局部空泡流動(dòng)特性的研究工作,尤其是較系統(tǒng)地研究繞軸對(duì)稱回轉(zhuǎn)體通氣局部空泡的流態(tài)特征,在國(guó)內(nèi)外是比較罕見(jiàn)的。Kunz等[21]基于數(shù)值計(jì)算分析了一定迎角下不含相變的繞軸對(duì)稱航行體通氣局部空化的流動(dòng)特性,對(duì)空泡形態(tài)的宏觀特征進(jìn)行了描述,發(fā)現(xiàn)在一定條件下通氣局部空泡呈現(xiàn)出的流態(tài)特征與自然空泡相似。Schauer[22]對(duì)帶圓盤空化器的軸對(duì)稱回轉(zhuǎn)體通氣空泡進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)觀測(cè),發(fā)現(xiàn)在一定的通氣量下會(huì)形成局部空泡,此時(shí)空泡前端為連續(xù)透明、尾部為云霧狀。張宇文等[23]開展了繞細(xì)長(zhǎng)回轉(zhuǎn)體通氣局部空化流動(dòng)特性的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究,對(duì)通氣局部空泡流型進(jìn)行了細(xì)化分析,定義了五種對(duì)稱基本空泡流態(tài)和三種非對(duì)稱基本空泡流態(tài)。張敏弟等[24,144]在繞圓盤的通氣局部空化流動(dòng)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)隨著雷諾數(shù)的增加,繞圓盤的通氣局部空化流動(dòng)由最初的未封閉泡團(tuán)發(fā)展成為以不同形態(tài)泡帶脫落的泡團(tuán)。

本課題組近期的研究結(jié)果表明:通氣空泡主要呈現(xiàn)出四種相對(duì)穩(wěn)定型(連續(xù)上漂狀、離散細(xì)泡狀、連續(xù)細(xì)泡狀以及超空泡狀)和三種尾部脫落型(泡沫狀、連續(xù)泡沫狀以及水氣混合狀)的流態(tài)特征,如圖11所示。傅汝德數(shù)在相對(duì)穩(wěn)定型和尾部脫落型空泡形態(tài)的轉(zhuǎn)換中起著決定性作用,即當(dāng)Fr＜9.1時(shí)空泡呈現(xiàn)出相對(duì)穩(wěn)定型,Fr＞9.1時(shí)空泡轉(zhuǎn)換為尾部脫落型。傅汝德數(shù)的變化引起空泡閉合方式發(fā)生改變進(jìn)而造成空泡形態(tài)發(fā)生改變,同時(shí)體現(xiàn)重力效應(yīng)的臨界傅汝德數(shù)會(huì)隨著通氣率的改變而改變。通氣率只對(duì)穩(wěn)定型或尾部脫落型分布區(qū)域內(nèi)各空泡形態(tài)之間的轉(zhuǎn)化具有一定影響,在尾部脫落型流態(tài)分布區(qū)域內(nèi)水氣混合狀與連續(xù)泡沫狀之間的轉(zhuǎn)化存在臨界通氣率,當(dāng)通氣率大于此臨界值后,空泡長(zhǎng)度會(huì)出現(xiàn)明顯的增大,并且此臨界值也會(huì)隨著傅汝德數(shù)的不同而發(fā)生改變。在此基礎(chǔ)上課題組依據(jù)無(wú)量綱參數(shù)通氣率和傅汝德數(shù)建立了通氣空泡流態(tài)圖譜,如圖12所示,通過(guò)流態(tài)圖譜可以看出,同一種流態(tài)在一定的分布區(qū)域內(nèi)不會(huì)隨著外界參數(shù)的變化而實(shí)時(shí)改變?？紤]到迎角可能會(huì)對(duì)空泡形態(tài)產(chǎn)生影響,本課題組進(jìn)一步研究了不同迎角下的空泡形態(tài)的發(fā)展及轉(zhuǎn)變機(jī)制,發(fā)現(xiàn)隨著迎角的增大,空泡不對(duì)稱性愈加顯著,各空泡形態(tài)的分布出現(xiàn)差異。

總體來(lái)說(shuō),由于超空泡極強(qiáng)的減阻效果以及工程需求,人們對(duì)通氣空泡的流態(tài)特征研究多聚焦于完全發(fā)展的通氣超空泡階段,對(duì)于超空泡發(fā)展過(guò)程中出現(xiàn)的通氣局部空泡流態(tài)特征以及不同流態(tài)間的轉(zhuǎn)變機(jī)制的研究仍不夠深入,未來(lái)需要開展更深入的研究工作。

圖11 繞回轉(zhuǎn)體通氣局部空泡流動(dòng)形態(tài)[37]Fig.11 Ventilated partial cavitating flow patterns around an axisymmetric body[37]

圖12 繞回轉(zhuǎn)體通氣局部空泡流態(tài)圖譜[37]Fig.12 Map of different flow patterns for the ventilated partial cavitating flows[37]

3.2 通氣局部空泡的非定常脫落特性

通氣局部空泡作為通氣超空泡發(fā)展過(guò)程中的中間形態(tài),在學(xué)術(shù)界也得到了越來(lái)越多的關(guān)注。對(duì)于通氣局部空泡而言,由于空泡尺度較小,空泡發(fā)展過(guò)程容易受到流動(dòng)參數(shù)、通氣參數(shù)、重力效應(yīng)以及相應(yīng)的流體屬性等多種因素影響而出現(xiàn)空泡團(tuán)的斷裂脫落現(xiàn)象,導(dǎo)致流場(chǎng)發(fā)生強(qiáng)烈變化,這種空泡的脈動(dòng)和斷裂等非定常流動(dòng)特性一直是通氣空泡研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。一般認(rèn)為,通氣局部空泡,尤其是通氣云狀空泡的斷裂脫落主要來(lái)源于反向射流的作用,而反向射流主要由空泡末端的逆壓梯度所誘導(dǎo)和控制。圖13給出了空泡脫落前后空泡末端的流場(chǎng)結(jié)構(gòu),紅色實(shí)線為空泡輪廓,云圖表示壓力,矢量代表流場(chǎng)的速度。從圖中可以看出,空泡末端存在明顯的局部高壓區(qū)域,而空泡內(nèi)部為相對(duì)的低壓區(qū),兩者共同作用形成平行于回轉(zhuǎn)體軸線的逆壓梯度。由于逆壓梯度的作用,空泡末端產(chǎn)生了一層指向回轉(zhuǎn)體肩部的液態(tài)水,即反向射流。

圖13 空泡脫落前后反向射流速度和空泡末端的壓力梯度Fig.13 Velocity of re-entrant jet and pressure gradient at the closure region before and after cavity shedding

為了進(jìn)一步研究反向射流與空泡脫落之間的關(guān)系,研究者們開展了諸多研究。時(shí)素果等[145]闡明了空泡形態(tài)的非定常演化過(guò)程,從壓力角度分析得到了反向射流是造成氣體團(tuán)狀脫落的主要誘因,并指出含氣區(qū)域的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)受反向射流的影響較大。Rashidi等[33]運(yùn)用高速攝影技術(shù)觀測(cè)了通氣空泡的流動(dòng)特性,指出反向射流對(duì)空泡界面、空泡的斷裂以及空泡內(nèi)部的流動(dòng)具有較大影響。段磊等[131]對(duì)應(yīng)用高速攝影技術(shù)研究了通氣局部空泡尾部區(qū)域空泡團(tuán)的斷裂脫落機(jī)制,認(rèn)為空泡尾部閉合區(qū)域的空泡內(nèi)外壓差形成的逆壓梯度引起空泡區(qū)域內(nèi)部的流動(dòng)出現(xiàn)分離,部分液相水在反向射流的作用進(jìn)入空泡內(nèi)部與氣體相互作用產(chǎn)生復(fù)雜的旋渦結(jié)構(gòu),此旋渦結(jié)構(gòu)與主流相互作用造成空泡發(fā)生斷裂。Wang等[45]對(duì)通氣云狀空泡的發(fā)展過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)分析,發(fā)現(xiàn)通氣云狀空泡的發(fā)展過(guò)程與云狀自然空化相類似,也可以分別三個(gè)階段,即生長(zhǎng)、回射以及脫落潰滅(如圖14所示)。同時(shí)基于反向射流的運(yùn)動(dòng)對(duì)通氣云狀空泡脫落機(jī)制進(jìn)行了闡述,發(fā)現(xiàn)通入氣體造成反向射流呈蛇形向上游運(yùn)動(dòng),在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中于壁面處產(chǎn)生高壓,隨著空泡的繼續(xù)發(fā)展和反向射流的持續(xù)運(yùn)動(dòng),兩個(gè)高壓區(qū)擴(kuò)大并逐漸連接,促使空泡在高壓區(qū)的連線形成斷裂。于嫻嫻等[46,146]基于修正的RNG k-ε 模型和對(duì)霍普金森壓桿發(fā)射實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)軸對(duì)稱航行體通氣云狀空泡的非穩(wěn)態(tài)演化過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)分析,發(fā)現(xiàn)通氣空泡的脫落形式與自然空泡有著顯著差異,從大尺度空泡團(tuán)整體性脫落轉(zhuǎn)變?yōu)榫植繑嗔研〕叨让撀洹iu等[37]對(duì)通氣局部空化流動(dòng)中反向射流的運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)了與Kawakami等[18]相一致的兩種反向射流機(jī)制,并指出兩種反向射流機(jī)制對(duì)空泡的脫落尺度有著很大影響(如圖15所示)。張孝石[40]針對(duì)水下航行體非定常通氣空化多相流動(dòng)發(fā)展特性進(jìn)行了數(shù)值建模和流場(chǎng)特性分析,發(fā)現(xiàn)在回射流的強(qiáng)烈沖擊下,空泡團(tuán)與主體肩部空泡脫落并在下游發(fā)生潰滅,基于旋渦結(jié)構(gòu)的分析指出通氣空泡發(fā)展過(guò)程中的斷裂、脫落等非定常特性由旋轉(zhuǎn)效應(yīng)和剪切效應(yīng)共同支配。

圖14 通氣空泡長(zhǎng)度隨時(shí)間的變化[45]Fig.14 Time evolution of ventilated cavity lengths[45]

本課題組基于實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果,深入分析了繞軸對(duì)稱回轉(zhuǎn)體通氣云狀空泡的演化特征(如圖16所示),發(fā)現(xiàn)反向射流主要沿回轉(zhuǎn)體壁面向上游運(yùn)動(dòng),當(dāng)與通氣氣流相遇后被推向外側(cè),反向射流開始遠(yuǎn)離回轉(zhuǎn)體壁面朝空泡壁面運(yùn)動(dòng),從而引起空泡發(fā)生漲起。反向射流到達(dá)空泡壁面后受到空泡邊界氣流流動(dòng)的影響開始隨主流向下游發(fā)展,空泡尾部發(fā)生卷起引起空泡漲起加劇,同時(shí)空泡外側(cè)高壓造成空泡中部邊界出現(xiàn)凹陷,隨著空泡的繼續(xù)發(fā)展和反向射流的持續(xù)運(yùn)動(dòng),空泡凹陷位置逐漸向下游運(yùn)動(dòng)且越來(lái)越深。當(dāng)空泡凹陷處邊界與回轉(zhuǎn)體壁面反向射流相遇后,漲起空泡與回轉(zhuǎn)體前端附著空泡發(fā)生斷裂,形成大尺度空泡團(tuán)脫落。另外,在空泡發(fā)生大尺度空泡團(tuán)脫落后,前端附著空泡內(nèi)部回轉(zhuǎn)體壁面仍然存在反向流動(dòng)區(qū)域,此反向流動(dòng)與空泡進(jìn)一步相互作用導(dǎo)致空泡尾部出現(xiàn)小尺度的空泡團(tuán)脫落。

圖15 不同流態(tài)下空泡的發(fā)展演化過(guò)程[37]Fig.15 Time evolution of the cavity size for different flow patterns[37]

通氣空泡流動(dòng)具有高度的三維流動(dòng)特性,尤其是自身已經(jīng)存在很強(qiáng)三維效應(yīng)的軸對(duì)稱回轉(zhuǎn)體,其流場(chǎng)結(jié)構(gòu)三維特性更加明顯,空泡的非定常特性也隨之發(fā)生相應(yīng)的改變。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算的分析可以看出,反向射流以螺旋狀的路徑沿回轉(zhuǎn)體表面向上游推進(jìn),由于反向射流在周向上推進(jìn)的不同步性,導(dǎo)致反向射流與主流相互作用后并未造成空泡的完全斷裂,而是呈現(xiàn)出不規(guī)則斷裂,直至空泡中部形成大尺度U型空泡團(tuán)脫落(如圖17所示)。另外,瞬態(tài)通氣云狀空泡內(nèi)部流動(dòng)結(jié)構(gòu)沿回轉(zhuǎn)體圓周方向也呈現(xiàn)不對(duì)稱分布,空泡內(nèi)部存在明顯的周向流動(dòng),且徑向方向越靠近回轉(zhuǎn)體壁面,周向流動(dòng)越明顯;軸向方向越靠近空泡尾部,周向流動(dòng)的區(qū)域越大且明顯,導(dǎo)致空泡尾部容易出現(xiàn)不規(guī)則的小尺度空泡團(tuán)脫落。

圖16 通氣空泡泡內(nèi)流場(chǎng)分布Fig.16 Internal flow field of ventilated cavity

圖17 通氣云狀空泡的準(zhǔn)周期性脫落演化過(guò)程Fig.17 The quasi-periodic shedding evolution of ventilated cloud cavitating flow

大量的研究表明,通氣局部空泡的非定常特性與空泡流動(dòng)結(jié)構(gòu)及反向射流的發(fā)展密切相關(guān),水氣摻混區(qū)和剪切層的相互作用是形成尾部渦環(huán)結(jié)構(gòu)、反向射流的重要因素,然而由于空泡內(nèi)部呈現(xiàn)多尺度空泡的分布,不同尺度流體作用過(guò)程十分復(fù)雜,加劇了空泡流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,導(dǎo)致空泡內(nèi)部流動(dòng)特性和流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征的認(rèn)知依然是瓶頸問(wèn)題,進(jìn)而造成很難獲悉當(dāng)?shù)赝牧鲌?chǎng)的改變對(duì)空泡非定常流動(dòng)特性的影響,通氣空泡非定常發(fā)展過(guò)程與復(fù)雜旋渦流動(dòng)結(jié)構(gòu)的相互作用機(jī)制尚不明晰。

考慮到工程實(shí)際問(wèn)題中魚雷、潛射導(dǎo)彈等受到洋流、發(fā)射方式和艦艇速度等的影響,當(dāng)來(lái)流速度與航行體軸線存在一定夾角時(shí),空泡兩側(cè)形態(tài)會(huì)出現(xiàn)迎、背流面的差異,進(jìn)而對(duì)通氣空泡的非定常特性會(huì)產(chǎn)生重要影響。Xiang等[118]基于歐拉-歐拉雙流體模型對(duì)小迎角作用下的通氣局部微氣泡流動(dòng)特性進(jìn)行了研究,指出存在迎角時(shí),迎流面氣泡體積含量高但減阻率低。本課題組前期的研究[39]表明,迎角增加引起空泡偏轉(zhuǎn)角逐漸減小,反向射流的推進(jìn)速度也隨之減小,且其推進(jìn)方向逐漸向空泡尾部移動(dòng),導(dǎo)致空泡的斷裂位置也隨之向空泡末端移動(dòng),進(jìn)而造成空泡的脫落周期以及脫落過(guò)程發(fā)生改變,如圖18 和圖19所示。

圖18 5°迎角下空泡脫落細(xì)節(jié)[39]Fig.18 Cavity shedding evolution atα＝5°[39]

為了進(jìn)一步揭示不同迎角下空泡脫落的機(jī)理,本課題組基于數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)不同迎角下的迎背流面壓力分布進(jìn)行了分析(如圖20所示)。發(fā)現(xiàn)隨著迎角的增大,迎流面空泡尾部的閉合高壓位置逐漸向回轉(zhuǎn)體肩部移動(dòng),導(dǎo)致迎流面空泡長(zhǎng)度持續(xù)縮短,同時(shí)空泡內(nèi)部各軸向位置的壓力較為穩(wěn)定;而背流面空泡尾部的閉合高壓位置基本一致,說(shuō)明迎角對(duì)背流面空泡長(zhǎng)度影響不大,另外迎角的變化造成背流面空泡內(nèi)部各軸向位置的壓力分布不均,呈現(xiàn)一定幅值的變化,尤其是空泡末端,如圖20(b)中黑色圓圈所示。

近年來(lái),人們發(fā)現(xiàn)空泡層與反向射流層的相對(duì)厚度是影響空泡脫落的重要因素[147-148]。圖21分別給出了α＝0°、α＝5°和α＝8°下,空泡末端橫截面內(nèi)的空泡外形輪廓,從空泡的輪廓可以表征反向射流層的厚度。當(dāng)α＝0°時(shí),空泡層相對(duì)于反向射流層較厚,在反向射流向上游推進(jìn)的發(fā)展過(guò)程中,反向射流與空泡內(nèi)部的通氣氣流之間的相互作用較弱,可以持續(xù)推進(jìn)至回轉(zhuǎn)體肩部,造成空泡發(fā)生局部斷裂。當(dāng)α＝8°時(shí),空泡層與反向射流層的厚度則比較接近,此時(shí),空泡界面與反向射流邊界有在空泡表面閉合的趨勢(shì),反向射流與空泡內(nèi)部通氣氣流存在較強(qiáng)的相互作用,反向射流主要存在于空泡末端區(qū)域,流場(chǎng)的非定常特性表現(xiàn)為頻繁的小尺度空泡團(tuán)的脫落現(xiàn)象。

圖20 不同迎角下回轉(zhuǎn)體表面壓力分布Fig.20 Pressure distribution on the surface of the axisymmetric body at different angles of attack

圖21 不同迎角下,反向射流層與空泡邊界層關(guān)系Fig.21 Relationship between re-entrant jet and cavity boundary layer at different angles of attack

4 總結(jié)與展望

本文以軸對(duì)稱回轉(zhuǎn)體為載體的通氣空泡流動(dòng)為對(duì)象,對(duì)通氣空泡流動(dòng)過(guò)程中表現(xiàn)出的流動(dòng)形態(tài)特征及流態(tài)間的轉(zhuǎn)變機(jī)制、通氣局部空泡的非定常流動(dòng)特性兩方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了較為系統(tǒng)的回顧,并歸納了其尚存在的一些問(wèn)題?？傮w來(lái)看,通氣空泡流動(dòng)研究已經(jīng)取得了許多重要的進(jìn)展。實(shí)驗(yàn)測(cè)量方面,高速攝影技術(shù)、PIV 技術(shù)以及測(cè)力系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通氣空泡流動(dòng)觀測(cè)中,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空泡瞬態(tài)形態(tài)、內(nèi)部速度場(chǎng)以及流體動(dòng)力等物理量的精細(xì)觀測(cè);數(shù)值計(jì)算方面,耦合不同界面捕捉方法的多相流模型和基于不同物理機(jī)制修正的湍流模型等已發(fā)展成熟,同時(shí)更為精細(xì)的流場(chǎng)捕捉方法——大渦模擬也得到了一定應(yīng)用?；谙鄳?yīng)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算方法,人們針對(duì)通氣局部空泡的流動(dòng)形態(tài)特征以及流動(dòng)過(guò)程中呈現(xiàn)出的非定常脫落特性等方面進(jìn)行了深入細(xì)致的研究,依據(jù)空泡表現(xiàn)出的宏觀流動(dòng)特征對(duì)其進(jìn)行了歸類總結(jié),并給出了流態(tài)間的轉(zhuǎn)變以及局部空泡非定常脫落等典型現(xiàn)象的物理機(jī)制。未來(lái),該領(lǐng)域在如下幾個(gè)方面還需要繼續(xù)深入研究:

1)通氣局部空泡作為通氣超空泡發(fā)展過(guò)程中的中間形態(tài),由于空泡尺度較小,其發(fā)展過(guò)程容易受到流動(dòng)參數(shù)、通氣參數(shù)、重力效應(yīng)以及等多種因素影響而呈現(xiàn)出一種復(fù)雜的多尺度多相流動(dòng)現(xiàn)象,相應(yīng)的流動(dòng)機(jī)理尚存在諸多問(wèn)題,因而在今后的通氣空泡流動(dòng)研究中應(yīng)該引起重視。

2)在實(shí)驗(yàn)測(cè)量技術(shù)上,通氣空泡的精確定量化信息提取,尤其是通氣云狀空泡的宏觀形態(tài)和流體動(dòng)力,依然是一個(gè)急需解決的問(wèn)題;通氣空泡內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)和三維流場(chǎng)結(jié)構(gòu)測(cè)量可以大大促進(jìn)人們對(duì)通氣空泡脫落機(jī)制的認(rèn)識(shí),在今后的實(shí)驗(yàn)研究方面應(yīng)當(dāng)?shù)玫街匾暫桶l(fā)展。

3)在數(shù)值模擬方法上,最為重要的為多相流模型和湍流模型的選擇。多相流模型方面,氣液相互作用以及可壓縮性對(duì)預(yù)測(cè)精度有著重要影響,在今后的研究中應(yīng)當(dāng)予以重視。湍流模型方面,分域湍流模型吸取了標(biāo)準(zhǔn)RANS 模型對(duì)計(jì)算資源消耗小和DNS模型模擬精度高等優(yōu)勢(shì),對(duì)于工程問(wèn)題計(jì)算有著較好的性價(jià)比。計(jì)算機(jī)性能的不斷提高,促使LES在通氣空泡流動(dòng)模擬中得到了廣泛應(yīng)用,為進(jìn)一步研究通氣空泡流動(dòng)機(jī)理提供了更加有利的手段。多尺度建模方面,大量小尺度氣泡間的非線性動(dòng)力學(xué)必然導(dǎo)致泡群在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中體現(xiàn)出強(qiáng)烈的宏觀非穩(wěn)態(tài)特性,建立能夠準(zhǔn)確描述空泡內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其對(duì)宏觀流場(chǎng)和湍流脈動(dòng)影響的多尺度數(shù)值計(jì)算模型,將為進(jìn)一步揭示通氣空泡流動(dòng)過(guò)程中表現(xiàn)出的宏觀流動(dòng)現(xiàn)象的形成機(jī)理提供有效的手段。

4)通氣空泡的流態(tài)特征以及流態(tài)間的轉(zhuǎn)變機(jī)制研究取得了較大的發(fā)展。通氣超空泡尾部流動(dòng)特征的定性描述已經(jīng)較為完善,典型流態(tài)特征如回射流泄氣和雙渦管泄氣等的產(chǎn)生、發(fā)展以及轉(zhuǎn)變機(jī)制也取得了較大的進(jìn)步,促進(jìn)了人們對(duì)通氣空泡流動(dòng)的認(rèn)識(shí)。超空泡發(fā)展過(guò)程中出現(xiàn)的通氣局部空泡流態(tài)特征以及不同流態(tài)間的轉(zhuǎn)變機(jī)制的研究仍不夠深入,未來(lái)需要開展更深入的研究工作。

5)通氣局部空泡的非定常脫落機(jī)制也取得了重大進(jìn)展,即反向射流。反向射流的作用在實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬中都被觀測(cè)到,對(duì)其流動(dòng)行為的分析也開展了一定的工作,但對(duì)其認(rèn)識(shí)仍缺乏足夠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析,尤其是迎角作用下反向射流的運(yùn)動(dòng)行為也將隨著發(fā)生改變。另外,通氣空泡的發(fā)展過(guò)程中往往伴隨著強(qiáng)烈的湍流旋渦運(yùn)動(dòng),通氣空泡與復(fù)雜湍流旋渦流動(dòng)的相互作用產(chǎn)生強(qiáng)烈的非定常運(yùn)動(dòng)特性,空泡與旋渦的相互作用,應(yīng)當(dāng)成為今后通氣空泡流動(dòng)機(jī)理分析中需要關(guān)注的重點(diǎn)。