繞空化器回轉(zhuǎn)體通氣空泡流態(tài)特征實(shí)驗(yàn)研究

劉影， 段忠平， 劉濤濤， 吳欽， 王復(fù)峰， 黃彪， 田高翔

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

水下航行體的高速運(yùn)動(dòng)會(huì)造成表面局部壓力降低，當(dāng)降低到飽和蒸氣壓以下時(shí)，液相介質(zhì)發(fā)生汽化，形成空泡附著于航行體表面，隨著氣泡逐漸包裹整個(gè)航行體，航行體完全處于氣相，形成超空泡現(xiàn)象。處于超空泡中的水下航行體所受阻力可大幅降低90%左右[1]，航行速度可以極大提高。目前實(shí)現(xiàn)超空泡主要有2種方法[2]：1)自然超空泡，即通過提高航行體速度或降低環(huán)境壓力實(shí)現(xiàn)，而在開放水域里環(huán)境壓力很難改變；2)通氣超空泡，即在航行體頭部低壓區(qū)域通入不可凝結(jié)氣體形成超空泡。

相比于自然超空泡，通氣超空泡具有易于實(shí)現(xiàn)且穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，多年來受到了大量國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究。Reichardt[3]提出了通過人工通氣的方法可以在較低的速度和環(huán)境壓力下形成超空泡，從而使超空泡實(shí)驗(yàn)可以在低速水洞中進(jìn)行，極大地推動(dòng)了通氣超空泡的發(fā)展[4-9]。Moghimi等[10]對(duì)拋物線型空化器，錐形空化器和圓盤空化器通氣形成的超空泡進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)相同通氣條件下圓盤空化器能產(chǎn)生最大的空泡。Shao等[11]研究了不穩(wěn)定流中通氣超空泡的狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)在空化器上游設(shè)置陣風(fēng)發(fā)生器，在不同的迎角和波動(dòng)頻率下，通氣超空泡界面呈現(xiàn)出穩(wěn)定、波動(dòng)、脈動(dòng)和坍塌等不同狀態(tài)特征。Jiang等[12]對(duì)前向噴射通氣形成的超空泡進(jìn)行觀測(cè)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨通氣量增大，穩(wěn)定超空泡會(huì)發(fā)展成為氣液界面周期性波動(dòng)的不穩(wěn)定超空泡，隨通氣量進(jìn)一步增大，氣液界面重新穩(wěn)定，形成表面較粗糙的射流超空泡。

在前述研究中，學(xué)者們對(duì)通氣空泡的研究多聚焦于完全發(fā)展的通氣超空泡流動(dòng)特性。然而事實(shí)上，在大多數(shù)情況下，航行體必然是從全濕流過渡到局部空泡，最后才發(fā)展為超空泡。因此很好地理解通氣空泡發(fā)展的所有階段是十分必要的。在超空泡形成過程中，空泡往往呈現(xiàn)出多種不同的流態(tài)[13-19]，空泡流態(tài)的轉(zhuǎn)變與其尾部泄氣方式有著直接聯(lián)系。Guo等[20]通過數(shù)值計(jì)算研究楔形水翼通氣空化過程中的泄氣方式，觀測(cè)到回射流泄氣，渦環(huán)泄氣和雙渦管泄氣3種泄氣模式，每種泄氣模式下的空泡形態(tài)存在差異；Kawakami[21]，Wang等[22]在通氣超空泡的形成過程中觀測(cè)到了2種不同形式的反向射流：1)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；2)形式的反向射流出現(xiàn)在第1種形式向雙渦管泄氣轉(zhuǎn)變的過程中，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。Karn等[23]通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)不同的泄氣方式可以共存，并且不同的泄氣方式造成了空泡尾部呈現(xiàn)多種形態(tài)。Wu等[24]通過對(duì)空泡內(nèi)部流動(dòng)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)空泡傾斜角大于臨界值時(shí)，在空泡底部外邊界層會(huì)出現(xiàn)流動(dòng)分離，形成較大逆壓梯度，導(dǎo)致水流從尾部進(jìn)入空泡，回射流泄氣方式得以形成，此時(shí)空泡較小，尾部呈泡沫狀；雙渦管泄氣方式的形成與飛機(jī)尾渦的形成相似，空泡上下邊界的不對(duì)稱性，產(chǎn)生了在水流向的環(huán)量，形成渦量，渦量在尾部脫落成一對(duì)具有相反旋轉(zhuǎn)方向的渦管，空泡呈透明狀。劉濤濤等[25-26]基于高速攝影技術(shù)對(duì)通氣局部空泡流態(tài)特征進(jìn)行了詳細(xì)觀測(cè)，指出雙渦管泄氣方式下空泡往往呈現(xiàn)出相對(duì)穩(wěn)定的不對(duì)稱形態(tài)，而在回射流泄氣方式下空泡則表現(xiàn)為不穩(wěn)定對(duì)稱形態(tài)。孫士民等[27]針對(duì)不受重力影響的人工超空泡通氣規(guī)律進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)空泡內(nèi)部已環(huán)流形式流動(dòng)；鄒望[28]基于勢(shì)流理論，建立了水洞通氣空泡的尾部雙渦管閉合模型，進(jìn)一步建立了非定常通氣超空泡模型。

盡管許多學(xué)者對(duì)通氣空化進(jìn)行了廣泛的研究，但由于通氣空化流動(dòng)的復(fù)雜性，人們對(duì)不同條件下通氣空泡呈現(xiàn)出的流態(tài)間的轉(zhuǎn)變機(jī)制尚不清楚。因此本文采用高速攝影技術(shù)對(duì)帶圓盤空化器回轉(zhuǎn)體通氣空泡進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，分析了通氣率和空化器尺寸對(duì)通氣空泡流態(tài)轉(zhuǎn)變的影響。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置與方法

1.1 空化水洞

本文實(shí)驗(yàn)在北京理工大學(xué)高速閉式循環(huán)空化水洞中完成。圖1為該實(shí)驗(yàn)水洞的結(jié)構(gòu)圖，其基本結(jié)構(gòu)由收縮段、擴(kuò)散段、實(shí)驗(yàn)段、彎管段，回水管和進(jìn)水管等部分組成，水洞實(shí)驗(yàn)段呈長(zhǎng)方體型，其基本尺寸如表1所示，其上部、下部和前側(cè)面分別安裝有3塊高強(qiáng)度有機(jī)玻璃窗，以方便采集水洞實(shí)驗(yàn)段中模型周圍的流場(chǎng)形態(tài)信息。水洞中來流的速度通過一臺(tái)交流變頻器來調(diào)節(jié)，其控制精度可達(dá)0.01 Hz。實(shí)驗(yàn)段上游有一體積為11 m3的水罐用來分離水流中含有的游離型氣泡和實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的氣泡。為了減小水流的紊動(dòng)度，在水罐出口與實(shí)驗(yàn)段之間安裝直線導(dǎo)流柵和直角導(dǎo)流柵。實(shí)驗(yàn)用水為城市自來水，但在使用前，在地下蓄水池中靜置一段時(shí)間，這樣可使水中所含氣體充分溢出，保證了水中含氣量和空化核子分布基本恒定。

圖1 空化水洞示意

表1 空化水洞基本尺寸

1.2 通氣空泡瞬時(shí)流動(dòng)形態(tài)顯示系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)采用的通氣空泡瞬時(shí)流動(dòng)形態(tài)顯示系統(tǒng)包含高速攝影系統(tǒng)和通氣系統(tǒng)，如圖2所示。高速攝影系統(tǒng)包括作為光源的2臺(tái)功率為1 000 W的鏑燈、記錄流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的高速攝像機(jī)、用于實(shí)時(shí)顯示存儲(chǔ)圖像的計(jì)算機(jī)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，高速攝像機(jī)采集頻率為3 000幀/s。通氣系統(tǒng)主要由壓氣機(jī)，壓力控制閥、轉(zhuǎn)子流量計(jì)和管路組成。壓氣機(jī)主要用于產(chǎn)生壓縮氣體；壓力控制閥用于控制通氣的壓力，其調(diào)節(jié)范圍為0～10個(gè)大氣壓，實(shí)驗(yàn)中為了保證所有工況下氣體能順利通入實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，通氣壓力采?個(gè)大氣壓；轉(zhuǎn)子流量計(jì)用于控制通入氣體的體積流量，其型號(hào)為L(zhǎng)ZB-6，測(cè)量范圍為0～800 L/h，測(cè)量精度為0.02 L/h。

圖2 通氣空泡瞬時(shí)流動(dòng)形態(tài)顯示系統(tǒng)示意

1.3 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c參數(shù)定義

實(shí)驗(yàn)采用的模型為帶有圓盤空化器的回轉(zhuǎn)體，主要由空化器、導(dǎo)流罩、擴(kuò)張段、圓柱段、收縮段五個(gè)部分組成，模型采用尾支撐固定在實(shí)驗(yàn)段后面板上，尾支撐內(nèi)部為空心結(jié)構(gòu)，便于氣體通入流場(chǎng)中。回轉(zhuǎn)體的基本尺寸為：長(zhǎng)度L=120 mm，直徑D=20 mm，采用2個(gè)空化器，其最大處直徑分別為Dn1=15 mm和Dn2=20 mm。圖3給出了回轉(zhuǎn)體在實(shí)驗(yàn)段中的相對(duì)位置，實(shí)驗(yàn)段長(zhǎng)35D，高9.5D，回轉(zhuǎn)體頭部距離實(shí)驗(yàn)段前側(cè)12D、底部4.75D。

圖3 試驗(yàn)段與回轉(zhuǎn)體模型示意

研究中涉及的無量綱數(shù)有傅汝德數(shù)Fr，通氣率CQ分別定義為：

式中：U∞為回轉(zhuǎn)體頭部中心上游0.21 m處參考斷面上的平均速度(速度剖面充分均勻)，在實(shí)驗(yàn)中將其控制在3～6 m/s；Q為通入的氣體體積流量。實(shí)驗(yàn)在無減壓條件下進(jìn)行，當(dāng)達(dá)到最大速度6 m/s時(shí)，其自然空化數(shù)為5.4，不會(huì)發(fā)生自然空化。

2 結(jié)果與討論

2.1 通氣率對(duì)空泡流態(tài)特征的影響

圖4給出了基于高速攝影技術(shù)得到的相同傅汝德數(shù) (Fr=7.9)下，空泡尺寸隨通氣率的變化，圖中橫坐標(biāo)為通氣率，縱坐標(biāo)分別為無量綱空泡長(zhǎng)度和直徑 (Lc為空泡長(zhǎng)度，Dc為最大空泡直徑)，不同流態(tài)下的空泡尺寸測(cè)量方式如圖5所示。從圖4可以看出，通氣率的增大會(huì)引起空泡長(zhǎng)度發(fā)生顯著變化，主要可以分為快速增長(zhǎng)、緩慢增長(zhǎng)和相對(duì)穩(wěn)定等3個(gè)特征階段，同時(shí)空泡的形態(tài)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)變。當(dāng)通氣率較小時(shí) (CQ=0.041)，空泡以回射流方式泄氣，從圖4可以看出，此時(shí)空泡整體保持對(duì)稱且尺寸較小，其中空泡長(zhǎng)度為回轉(zhuǎn)體長(zhǎng)度的42%，最大空泡直徑為2倍回轉(zhuǎn)體直徑。空泡為泡沫狀(foam cavity，F(xiàn)C)，此時(shí)反向射流可以到達(dá)空化器端部，由于反向射流與通入氣體的相互作用，整個(gè)空泡區(qū)域內(nèi)始終保持水氣混合狀態(tài)，空泡界面模糊。隨著通氣率的增大，空泡尺寸出現(xiàn)明顯增大，同時(shí)重力效應(yīng)引起的空泡不對(duì)稱性逐漸凸顯，這一現(xiàn)象與文獻(xiàn)[11]的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果基本一致。當(dāng)空泡長(zhǎng)度增長(zhǎng)至回轉(zhuǎn)體長(zhǎng)度的81% (CQ=0.045)時(shí)，繞空化器回轉(zhuǎn)體通氣空化的流動(dòng)形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)透明非穩(wěn)定空泡(continuous transparent and unstable bubble，CTUC)，在此階段，反向射流無法到達(dá)空化器端部，空泡前端開始形成穩(wěn)定對(duì)稱透明區(qū)，尾部由于反向射流的往復(fù)推進(jìn)，加之重力效應(yīng)，始終處于不對(duì)稱水氣混合狀態(tài)。

圖4 空泡尺寸隨通氣率的變化(Fr=7.9)

圖5 空泡尺寸測(cè)量示意

隨著通氣率進(jìn)一步增大至CQ=0.049時(shí)，空泡整體長(zhǎng)度可以完全覆蓋回轉(zhuǎn)體，空泡閉合于回轉(zhuǎn)體尾部且不對(duì)稱性更加明顯，水氣混合區(qū)域僅存在空泡尾部上空泡界面，繞空化器回轉(zhuǎn)體通氣空化的流動(dòng)形態(tài)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定超空泡。在此基礎(chǔ)上繼續(xù)增大通氣率后空泡長(zhǎng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸變緩，當(dāng)通氣率增大至CQ=0.059，空泡長(zhǎng)度增長(zhǎng)至1.3倍的回轉(zhuǎn)體長(zhǎng)度后，空泡尺寸隨通氣率增大不再發(fā)生明顯變化，空泡發(fā)展開始進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定階段。在空泡發(fā)展緩慢增長(zhǎng)和相對(duì)穩(wěn)定階段，繞空化器回轉(zhuǎn)體通氣空化的流動(dòng)形態(tài)始終保持不對(duì)稱的穩(wěn)定超空泡(stable supercavity，SC)，此時(shí)空泡形態(tài)保持基本穩(wěn)定，氣液界面清晰，無反向射流，尾部脫落清晰。

為了進(jìn)一步研究通氣率對(duì)空泡不對(duì)稱性的影響，圖6定量給出了空泡尾部偏轉(zhuǎn)角α與通氣率之間的關(guān)系，本文中空泡尾部偏轉(zhuǎn)角α定義為空泡尾部閉合線與回轉(zhuǎn)體水平軸線之間的夾角，其取值為0°≤α≤90°，當(dāng)通氣空泡對(duì)稱閉合時(shí)，此時(shí)定義α=90°，當(dāng)空泡尾部不閉合，即為開口空泡時(shí)，定義α=0°。在上述的研究中可以看出，當(dāng)通氣率CQ=0.041時(shí)，空泡尾部始終保持軸對(duì)稱且閉合，因此這里其空泡尾部偏轉(zhuǎn)角α=90°。由圖6可以看出，隨著通氣率的增大，空泡尾部偏轉(zhuǎn)角α整體呈減小趨勢(shì)，減小速率逐漸降低，說明空泡的不對(duì)稱性越明顯。

為了解釋通氣率對(duì)空泡發(fā)展過程和流態(tài)特征的影響機(jī)制，假設(shè)空泡尾部閉合處泡內(nèi)壓力為Pin，泡外壓力為Pout。在空泡的快速增長(zhǎng)階段，如圖7(a)、(b)所示，通氣率較小，空泡始終以回射流方式泄氣，通氣率的增加引起泡內(nèi)壓力Pin增大，而泡外壓力Pout基本保持不變，這樣導(dǎo)致空泡尾部閉合處的逆壓梯度減小，空泡回射流泄氣量(QRJ)減小。如果空泡長(zhǎng)度保持不變，通入的氣體量Qin將大于回射流泄氣量QRJ，導(dǎo)致氣體質(zhì)量不守恒。因此，更多的氣體將停留在空泡內(nèi)部，導(dǎo)致空泡長(zhǎng)度出現(xiàn)增長(zhǎng)。同時(shí)空泡長(zhǎng)度增長(zhǎng)引起空泡尾部偏轉(zhuǎn)角減小，進(jìn)而造成空泡尾部流動(dòng)分離減弱，泡外壓力Pout逐漸增大[29]，當(dāng)泡外壓力Pout與泡內(nèi)壓力Pin重新達(dá)到平衡后，空泡停止增長(zhǎng)。

圖6 空泡尾部偏轉(zhuǎn)角與通氣率之間的關(guān)系

空泡發(fā)展至穩(wěn)定超空泡后，如圖7(b)、(c)所示，尾部泄氣方式發(fā)生改變，通入的氣體一部分在反向射流的作用下以回射流形式下泄，另一部分以雙渦管(QTV)的形式向下游運(yùn)動(dòng)。Wu等[18]通過實(shí)驗(yàn)也觀察到了類似的現(xiàn)象。此時(shí)對(duì)于穩(wěn)定的超空泡，根據(jù)質(zhì)量守恒，通入氣體量Qin應(yīng)與QRJ和QTV的總和相等。在相同的Fr條件下增加通氣量，為保證通氣與泄氣平衡，空泡尾部閉合的渦管首先變粗以增加泄氣量QTV。渦管的變化引起空泡尾部偏轉(zhuǎn)角減小，進(jìn)而導(dǎo)致空泡尾部外邊界層流動(dòng)分離減弱和回射流泄氣量QRJ減小。同時(shí)，由于流動(dòng)分離減弱，空泡閉合處泡外壓力Pout上升。文獻(xiàn)[30]指出當(dāng)形成超空泡后，空泡內(nèi)部壓力Pin將基本保持恒定，不再隨通氣率變化而發(fā)生改變。同樣的，如果此時(shí)空泡長(zhǎng)度保持不變，空泡尾部閉合處逆壓梯度將升高，造成雙渦管泄氣量QTV減小。在這種情況下，氣體通入量(Qin)大于泄氣量(QRJ+QTV)，氣體質(zhì)量同樣不守恒，空泡長(zhǎng)度將繼續(xù)增長(zhǎng)直至空泡尾部閉合處內(nèi)外壓力重新達(dá)到平衡以保證氣體通入量和泄氣量相當(dāng)。然而由于此時(shí)空泡尾部同時(shí)存在回射流泄氣和雙渦管泄氣，與上一階段相比，氣體泄氣率要明顯增大，導(dǎo)致空泡的增長(zhǎng)速度減緩。

圖7 典型流態(tài)下的空泡泄氣方式

當(dāng)通氣率進(jìn)一步增大時(shí)，基于文獻(xiàn)[22]研究，空泡尾部泄氣方式發(fā)生進(jìn)一步轉(zhuǎn)變，由回射流泄氣完全轉(zhuǎn)變?yōu)殡p渦管泄氣，如圖7(c)、(d)。與上一空泡發(fā)展階段類似，在此基礎(chǔ)上增加通氣率，空泡尾部閉合的渦管變粗，空泡尾部偏轉(zhuǎn)角進(jìn)一步減小。同時(shí)，空泡尾部閉合處的外部水流速度增加。由勢(shì)流理論可知，此時(shí)空泡閉合處泡外壓力Pout減小，引起逆壓梯度下降，進(jìn)而造成更多的氣體通過渦管形式向下游運(yùn)動(dòng)。泄氣量的增加可以滿足質(zhì)量守恒，氣體通入量與泄氣量相等，因此空泡長(zhǎng)度不會(huì)出現(xiàn)明顯增加。

2.2 空化器尺寸對(duì)空泡流態(tài)特征的影響

為進(jìn)一步研究空化器尺寸對(duì)通氣空泡發(fā)展過程的影響，圖8給出了Fr=7.9，2種空化器尺寸下采用高速攝影技術(shù)觀測(cè)到的通氣空泡形態(tài)，圖9定量描述了空泡尺寸與通氣率的關(guān)系。與Dn=15 mm模型下空泡尺寸發(fā)展過程相比，Dn=20 mm模型下空泡尺寸隨通氣率的增大呈現(xiàn)出較大差異，表現(xiàn)為先緩慢增長(zhǎng)，再快速增長(zhǎng)，最后進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定階段。當(dāng)通氣率較小時(shí)，2種空化器尺寸下，空泡形態(tài)沒有明顯差異，都呈現(xiàn)出泡沫狀，如圖8(a)CQ=0.041和 (b)CQ=0.043所示。隨著通氣率的增大，對(duì)于Dn=15 mm模型而言，回轉(zhuǎn)體頭部迅速形成連續(xù)透明氣相區(qū)，進(jìn)而發(fā)展為穩(wěn)定超空泡，如圖8(a)CQ=0.045和CQ=0.059所示。Dn=20 mm模型作用下，在0.0430.066后，空泡開始進(jìn)入快速增長(zhǎng)階段，隨著通氣率的增大空泡形態(tài)由泡沫狀直接轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定超空泡，如圖8(b)CQ=0.07和圖9所示。當(dāng)空泡長(zhǎng)度增長(zhǎng)至1.4倍回轉(zhuǎn)體長(zhǎng)度，最大直徑至3.5倍空化器直徑時(shí)，空泡尺寸隨著通氣率增大不再發(fā)生明顯變化，開始進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定階段，形成的穩(wěn)定超空泡尾部水氣混合區(qū)域要明顯大于Dn=15 mm模型。對(duì)比2種空化器模型下空泡尺寸隨通氣率的變化可以看出，Dn=20 mm模型作用下空泡在快速增長(zhǎng)階段的增長(zhǎng)速率更快，形成穩(wěn)定超空泡所需的最小通氣量更大，同時(shí)形成的超空泡尺度更大。

為進(jìn)一步研究空化器尺寸對(duì)空泡流態(tài)特征的影響，圖10給出了基于大量實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果得到2種空化器尺寸下的通氣空泡形態(tài)圖譜，虛線表示各空泡形態(tài)的分界。從圖10中可以看出，同一種空泡形態(tài)存在一定的分布區(qū)域，在分布區(qū)域內(nèi)無論外界條件如何改變，空泡形態(tài)保持不變。相同空化器尺寸下通氣率和傅汝德數(shù)共同決定了空泡形態(tài)的分布區(qū)域；隨傅汝德數(shù)增大，泡沫狀向連續(xù)透明穩(wěn)定空泡轉(zhuǎn)化所需的最小通氣量增大，連續(xù)透明非穩(wěn)定空泡分布區(qū)間變大。不同空化器模型下的空泡形態(tài)分布存在巨大差異，主要表現(xiàn)在2方面：1)當(dāng)空化器尺寸增大時(shí)，在相似傅汝德數(shù)(來流速度相同)條件下，由一種空泡形態(tài)過渡到另一空泡形態(tài)所需通氣量增大，泡沫狀向連續(xù)透明非穩(wěn)定空泡轉(zhuǎn)化所需的最小通氣量線性增大趨勢(shì)變緩；2)當(dāng)空化器尺寸增大時(shí)，泡沫狀空泡形態(tài)分布區(qū)間明顯增大。

圖8 不同直徑空化器下的空泡形態(tài)

通過前面分析可知，在泡沫狀空泡形態(tài)下，空泡尺寸變化不大，在連續(xù)透明非穩(wěn)定空泡階段，空泡尺寸急劇增大，由此可見，在空化器頭部形成連續(xù)透明的空泡區(qū)域?qū)ι沙张菥哂兄匾饬x，該過程主要受到空化器后部旋渦區(qū)域的影響。在通氣空化初期，由于通氣量較少，通入的氣體以小氣泡的形式彌散在空化器后方形成的渦旋區(qū)域，表現(xiàn)為泡沫狀，如圖8(b)CQ=0.043所示，空泡受渦旋的影響在液體的作用下周期性向下游脫落。在此階段，隨通氣量的增加，彌散在旋渦區(qū)的氣泡增加，空泡區(qū)尺寸變化不大，壓力增大[31]。當(dāng)通氣量增大到臨界值(CQ-Th)，氣體快速進(jìn)入液體形成巨大的氣液摻混，空化器后方出現(xiàn)更多的小氣泡，在渦旋的作用下，這些氣泡在空化器后部聚集，增加了氣泡的碰撞頻率，由于巨大的沖擊，該區(qū)域的速度場(chǎng)發(fā)生了改變，氣泡間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度降低。根據(jù)文獻(xiàn)[32]，當(dāng)氣泡具有較高的碰撞頻率和較小的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度時(shí)，氣泡在該區(qū)域會(huì)發(fā)生聚合，形成較大的氣泡；聚合生成的大空泡附著在空化器后部形成了連續(xù)透明非穩(wěn)定空泡，空泡發(fā)展進(jìn)入快速增長(zhǎng)階段，如圖8(a)CQ=0.041所示。

基于文獻(xiàn)[33]，大直徑空化器后部存在較強(qiáng)的流動(dòng)分離，并產(chǎn)生較大的旋渦區(qū)域，存在較大渦量，導(dǎo)致由泡沫狀過渡到連續(xù)透明非穩(wěn)定空泡的臨界值通氣量增大，即有CQ-Th(Dn=15 mm)

圖10 不同空化器尺寸下的通氣空泡形態(tài)圖譜

3 結(jié)論

1)通氣率的增大會(huì)引起空泡尺寸發(fā)生顯著變化，主要可以分為快速增長(zhǎng)、緩慢增長(zhǎng)和相對(duì)穩(wěn)定等3個(gè)特征階段，同時(shí)空泡的形態(tài)由最初的泡沫狀逐漸發(fā)展為完全透明的穩(wěn)定超空泡。

2)隨通氣率的增大，空泡不對(duì)稱性逐漸凸顯，空泡尾部泄氣方式由回射流泄氣逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殡p渦管泄氣，泄氣方式的轉(zhuǎn)變是造成空泡形態(tài)變化的主要原因。

3)空化器尺寸的增大引起空化器后部流動(dòng)分離加強(qiáng)和旋渦區(qū)域增大，造成形成連續(xù)透明空泡的臨界通氣量增大，進(jìn)而引起各空泡形態(tài)分布區(qū)域和空泡發(fā)展趨勢(shì)發(fā)生變化；相同傅汝德數(shù)和通氣率下，大尺度空化器模型下形成的穩(wěn)定超空泡尺寸要明顯大于小尺度空化器模型。