突變流道內(nèi)空泡脫落特性及空蝕損傷分析

王江云王 壯侯琳倩王 娟解 凱

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 克拉瑪依校區(qū),新疆 克拉瑪依 834000;2.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102249;3.過(guò)程流體過(guò)濾與分離技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102249;4.西安益翔航電科技有限公司,陜西西安 710065)

當(dāng)流體流經(jīng)通流件內(nèi)突變流道時(shí),會(huì)產(chǎn)生節(jié)流[1]、增速或獲得升阻力[2]等現(xiàn)象,當(dāng)流體局部壓力低于其飽和蒸汽壓時(shí),就會(huì)發(fā)生空化,進(jìn)而產(chǎn)生空蝕現(xiàn)象,造成通流件壁面損傷[3]。作為空蝕的先決條件[4],空化是一種涉及相變、多尺度湍流和非定常性等的復(fù)雜現(xiàn)象[5],嚴(yán)重影響著突變流道內(nèi)流體流態(tài)的演變,造成部分通流件內(nèi)流動(dòng)失穩(wěn),影響正常工作生產(chǎn)[6-8]。

為了探究突變流道內(nèi)空化流動(dòng)的非定常特性及其發(fā)展演變的復(fù)雜多樣性,諸多學(xué)者針對(duì)葉輪流道[9-10]、文丘里流道[11-13]、水翼流道[14-16]及頭型鈍體[17-18]等的空化初生、發(fā)展、流場(chǎng)變化特性、空泡演變及脫落機(jī)理等做了較為詳細(xì)的分析;Li等[19]還發(fā)現(xiàn)了空化的發(fā)生、發(fā)展十分依賴(lài)流道的結(jié)構(gòu),空化初生依附位置甚至決定了整個(gè)流場(chǎng)的變化。然而,上述分析大多基于成熟發(fā)展的流道結(jié)構(gòu),且偏向于對(duì)空化現(xiàn)象本身所引起的流動(dòng)特性研究,而針對(duì)較為復(fù)雜的突變流道內(nèi)空化的發(fā)生、發(fā)展與流道自身結(jié)構(gòu)耦合作用的研究還較少,對(duì)其內(nèi)空泡的非定常脫落特性、整個(gè)演化過(guò)程的準(zhǔn)周期特性和由空化造成的空蝕效應(yīng)的綜合研究還不夠清晰,對(duì)空蝕損傷的定量預(yù)測(cè)還不夠準(zhǔn)確。

因此,筆者針對(duì)Krella[20]設(shè)計(jì)的空化室進(jìn)行數(shù)值模擬分析,探究流道自身結(jié)構(gòu)約束下空泡脫落的演變規(guī)律,量化空化條件下壁面剪切力的程度,分析空蝕損傷規(guī)律,以期從復(fù)雜流道結(jié)構(gòu)的耦合影響方面為空化的發(fā)展特性和空蝕效應(yīng)的定量分析提供理論基礎(chǔ)。

1 空化模型與計(jì)算方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

為研究空化室內(nèi)空泡行為,參照Krella設(shè)計(jì)的空化室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)裝置的搭建。圖1為實(shí)驗(yàn)裝置示意圖,主要包括空化室、貯水罐、泵、電磁流量計(jì)、電動(dòng)閘閥等。實(shí)驗(yàn)裝置的壓力調(diào)節(jié)范圍為0.1～1.0 MPa,流體流量測(cè)量范圍為0～50 m3/h。實(shí)驗(yàn)中可以通過(guò)調(diào)節(jié)流體流量和管道狹縫開(kāi)度,使空化室喉部節(jié)流降壓,產(chǎn)生不同類(lèi)型的空化,進(jìn)行空化強(qiáng)弱的改變。

圖1 空化空蝕實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Diagram of cavitation test device

1.2 空化室結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分

圖2為高度30 mm方腔空化室二維結(jié)構(gòu)示意圖[20]及其監(jiān)測(cè)區(qū)域和計(jì)算網(wǎng)格劃分。空化室內(nèi)設(shè)有半徑均為9 mm的上、下2個(gè)圓形凸臺(tái),可移動(dòng)下凸臺(tái)以改變節(jié)流縫寬(圖2(a))。在此研究中,節(jié)流縫寬取為3 mm。由于研究重點(diǎn)考察空泡的產(chǎn)生、發(fā)展、逐漸脫落的過(guò)程,因而主要涉及流體流動(dòng)的主流方向;同時(shí)空化室三維結(jié)構(gòu)在展向上的尺寸遠(yuǎn)大于狹縫尺寸,使展向流動(dòng)對(duì)主流方向上流體空化過(guò)程的影響可以忽略,因此采用二維模型計(jì)算分析?？瘴g靶區(qū)內(nèi)的監(jiān)測(cè)區(qū)域均分為6個(gè)區(qū)域,編號(hào)1～6,如圖2(b)所示?？栈矣?jì)算網(wǎng)格的劃分利用ICEM CFD軟件進(jìn)行(圖2(c)),為保證湍流的充分發(fā)展和數(shù)值迭代計(jì)算的穩(wěn)定性,將入口段延長(zhǎng)為3倍當(dāng)量直徑,出口段延長(zhǎng)為5倍當(dāng)量直徑。對(duì)兩凸臺(tái)位置處進(jìn)行邊界層設(shè)置和網(wǎng)格加密處理,越靠近凸臺(tái)網(wǎng)格越密,網(wǎng)格數(shù)目約32萬(wàn);最小網(wǎng)格厚度約10-5m,凸臺(tái)近壁處第一層網(wǎng)格的無(wú)量綱距離y+≈2。

圖2 空化室二維結(jié)構(gòu)、監(jiān)測(cè)區(qū)域及網(wǎng)格劃分Fig.2 2D structure,monitoring areas and grid generation of cavitation chamber

1.3 數(shù)學(xué)模型選擇

1.3.1 湍流模型

對(duì)流場(chǎng)分析過(guò)程中,為求解湍流細(xì)節(jié)而引入的不同模式的湍流理論稱(chēng)為湍流模型。不同湍流模型對(duì)流場(chǎng)考察方向和求解精度不同,雷諾時(shí)均模型是一種求解時(shí)均流場(chǎng)特性的湍流模型。在雷諾時(shí)均模型中,標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型在數(shù)值計(jì)算過(guò)程中穩(wěn)定性好,但求解精度稍差,且不適于捕捉流場(chǎng)內(nèi)渦旋;重整化群(RNG)k-ε模型則對(duì)湍流黏度系數(shù)加以修正,增加了反映主流時(shí)均應(yīng)變率的項(xiàng),可以較好地處理旋流、流線(xiàn)彎曲程度較大的流動(dòng),但其基于各項(xiàng)同性的渦黏性假設(shè)使其對(duì)強(qiáng)旋流問(wèn)題的描述仍有不足;雷諾應(yīng)力模型(RSM)嚴(yán)格考慮了流線(xiàn)彎曲、旋轉(zhuǎn)和張力快速變化等因素,同時(shí)避免了各向同性的渦黏性假設(shè),因而考慮的物理學(xué)機(jī)制更加全面,對(duì)于復(fù)雜流道結(jié)構(gòu)內(nèi)突擴(kuò)、突縮流動(dòng)分離區(qū)和湍流各向異性較強(qiáng)的流動(dòng)具有很好的模擬能力,能反映出渦旋流場(chǎng)的基本特征[21-22]。因此,筆者選用RSM模型捕捉空化室內(nèi)湍流發(fā)展區(qū)的渦旋。

1.3.2 多相流模型

空化室內(nèi)空化現(xiàn)象的發(fā)展演變過(guò)程非常復(fù)雜?？栈鲃?dòng)是一種摻雜氣、液兩相的混合流動(dòng);在空泡群充分發(fā)展區(qū)內(nèi),氣、液兩相互相穿插,且二者在混合流動(dòng)中存在速度差異,隨主流運(yùn)動(dòng)時(shí)存在速度滑移[23]。在多相流模型中,Mixture模型適用于含空泡的混合流,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空泡群的捕捉和空泡均勻度的刻畫(huà),被廣泛應(yīng)用于對(duì)空化問(wèn)題的研究中[5,16,24]。

1.3.3 壁面函數(shù)

空化初生嚴(yán)格依賴(lài)壁面結(jié)構(gòu),且通常發(fā)生在流動(dòng)剪切層內(nèi)[25]。為了較好地捕捉流體轉(zhuǎn)捩點(diǎn)和分離轉(zhuǎn)捩區(qū),模擬計(jì)算時(shí)就要求空化初生特征位置處的近壁法向網(wǎng)格足夠密。增強(qiáng)壁面函數(shù)[26]不依賴(lài)于壁面法則,結(jié)合了壁面分布律在黏性底層內(nèi)的線(xiàn)性關(guān)系與黏性底層外的對(duì)數(shù)關(guān)系,y+通常在1數(shù)量級(jí)范圍內(nèi),適用于近壁處空化初生及空泡脫落分離的模擬刻畫(huà)。

1.3.4 空化模型

空化模型的選用對(duì)空化問(wèn)題的研究尤為重要,已成熟發(fā)展應(yīng)用的空化模型主要有ZGB(Zwart-Gerber-Belamri)模型[27]和SS(Schneer-Sauer)模型[28]。這2種空化模型都是基于空泡動(dòng)力學(xué)Rayleigh-Plesset方程推導(dǎo)而來(lái),相比較其他空化模型,二者在計(jì)算過(guò)程中具有更好的魯棒性,能觀察到明顯的空泡運(yùn)動(dòng)。其中,ZGB模型假定所有空泡尺寸相同,相間的質(zhì)量輸運(yùn)率和單個(gè)空泡的質(zhì)量變化率由空泡密度所決定,對(duì)蒸發(fā)項(xiàng)考慮水中氣核密度的影響;SS模型將空泡密度與蒸汽相體積分?jǐn)?shù)關(guān)聯(lián)起來(lái)求解輸運(yùn)方程,沒(méi)有考慮不可凝結(jié)氣體對(duì)空化流動(dòng)的影響,而是將蒸汽相納入到空泡密度中[29]。筆者分別采用2種空化模型進(jìn)行模擬計(jì)算,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

1.4 計(jì)算條件

由于空化過(guò)程中流場(chǎng)內(nèi)存在顯著的壓力波動(dòng),流場(chǎng)的非定常特性很明顯,為捕捉空泡的演化行為、提高數(shù)值迭代運(yùn)算的穩(wěn)定性,采用非穩(wěn)態(tài)求解器。參照CFL(Courant&Friedrichs&Lewy)計(jì)算收斂準(zhǔn)則(式(1))[30],確定非穩(wěn)態(tài)求解的時(shí)間步長(zhǎng)為10-5s。計(jì)算過(guò)程中,設(shè)置液相為水;25℃時(shí),其密度為999.19 kg/m3,動(dòng)力黏度為0.001139 Pa·s,氣相為理想狀態(tài)水蒸氣。邊界條件設(shè)置為壓力入口,壓力出口,無(wú)滑移固體壁面。離散項(xiàng)采用控制容積積分法,壓力差分格式為PRESTO格式,動(dòng)量、體積分?jǐn)?shù)、湍動(dòng)能、湍流耗散率都采用高階QUICK格式。湍流強(qiáng)度設(shè)置為0.5%,氣相體積分?jǐn)?shù)初始值為0,飽和蒸汽壓設(shè)置為3169 Pa[31]。

式(1)中:Δt為瞬態(tài)計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng),s;Δx為網(wǎng)格尺寸,m;v為混合流體速度,m/s;c為庫(kù)朗數(shù),用于在計(jì)算時(shí)控制時(shí)間步長(zhǎng),筆者采用的隱式算法中取為40。

1.5 模型驗(yàn)證

采用RSM湍流模型、Mixture多相流模型、增強(qiáng)壁面函數(shù),分別耦合ZGB空化模型和SS空化模型模擬計(jì)算得到空化室內(nèi)液相的汽化體積分率(氣體體積分?jǐn)?shù))云圖,如圖3(a)所示。對(duì)比圖3(a)中(1)和(2),發(fā)現(xiàn)2種空化模型計(jì)算結(jié)果相似,在上、下凸臺(tái)后緣均形成空化區(qū)域,但ZGB模型模擬結(jié)果(1)在上凸臺(tái)邊緣出現(xiàn)明顯的空泡黏附和脫落現(xiàn)象,與實(shí)驗(yàn)拍攝(圖3(b))的空化室內(nèi)空泡產(chǎn)生位置及分布情況相吻合,說(shuō)明采用RSM湍流模型、Mixture多相流模型、增強(qiáng)壁面函數(shù)和ZGB空化模型的模擬方法精度更高,可以用于空化室內(nèi)脈動(dòng)信息以及靶區(qū)壁面剪切力的分析。

圖3 空化室內(nèi)液相汽化體積分率(氣體體積分?jǐn)?shù))Fig.3 Vaporization volume fraction in the cavitation chamber

2 二維空化室非定常流動(dòng)特性分析

2.1 壓力場(chǎng)與速度場(chǎng)分布

圖4為空化室內(nèi)不同進(jìn)出口壓差下的壓力和流體速度分布云圖。由圖4(a)可知:在空化室內(nèi)上凸臺(tái)的后緣出現(xiàn)局部高壓區(qū),隨著進(jìn)出口壓差的增大,高壓區(qū)范圍增大、中心壓力值變大,但中心位置基本不變;同時(shí),狹縫上下游壓差也明顯增大;沿流體流動(dòng)方向,隨著流道的逐漸擴(kuò)張,下游處壓力逐漸趨于穩(wěn)定。由圖4(b)可見(jiàn),在流動(dòng)過(guò)程中,狹縫喉部位置處流體速度出現(xiàn)明顯的分層,下游越靠近下凸臺(tái),流體流速越低,流速最大區(qū)域?qū)?yīng)狹縫來(lái)流,并在流場(chǎng)內(nèi)形成主流區(qū)。上凸臺(tái)后緣處存在明顯的低速區(qū),隨著壓差增大,低速區(qū)變得明顯,且狹縫處流速增大。此外,對(duì)比發(fā)現(xiàn),在3種壓差下,壓力和速度分布基本相似,由于狹縫處的節(jié)流作用使得狹縫處壓力驟降,速度急劇增大。

圖5為不同進(jìn)出口壓差下空化室內(nèi)流體流線(xiàn)圖和湍動(dòng)能分布云圖。由圖5(a)可見(jiàn):隨著流道通流面積變小,靠近狹縫,流體流線(xiàn)逐漸收縮變得緊密,并沿凸臺(tái)表面發(fā)生偏轉(zhuǎn);在位于上游凸臺(tái)前端的折角處產(chǎn)生兩處渦旋回流區(qū),但區(qū)域較小;在下游凸臺(tái)后端產(chǎn)生3處渦旋區(qū)(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ),且不同進(jìn)出口壓差下渦旋中心位置基本保持一致。隨壓差增大,Ⅰ區(qū)域渦旋范圍逐漸擴(kuò)大,與圖4中壓力和速度分布相對(duì)應(yīng);Ⅲ區(qū)域渦旋范圍也逐漸擴(kuò)大,且其渦旋中心有向下游移動(dòng)的趨勢(shì);Ⅱ區(qū)域渦旋范圍則逐漸變小。由圖5(b)可知,上凸臺(tái)后緣有明顯的湍動(dòng)區(qū),且湍動(dòng)區(qū)有明顯的壓力波動(dòng)。此外,隨著進(jìn)出口壓差增大,除狹縫迎流處,流場(chǎng)內(nèi)湍動(dòng)加劇,并逐漸占據(jù)主流場(chǎng)空間。

圖4 不同進(jìn)出口壓差下空化室內(nèi)壓力和速度分布Fig.4 Pressure and velocity distribution in the cavitation chamber under different inlet and outlet pressure differences

圖5 不同壓差下空化室內(nèi)流體流線(xiàn)和湍動(dòng)能分布Fig.5 Streamline and turbulent kinetic energy distribution in the cavitation chamber under different pressure differences

綜合分析,3處渦旋區(qū)域是空化室內(nèi)流體重要的流動(dòng)特征,且Ⅰ區(qū)域渦旋會(huì)受到附加的空化影響,空泡排開(kāi)液體或空泡潰滅釋放壓力都會(huì)導(dǎo)致渦旋處湍動(dòng)明顯。

2.2 空化過(guò)程分析

空化現(xiàn)象具有顯著的非定常特性。為便于研究空泡的演化特性,調(diào)節(jié)進(jìn)口壓力為0.46 MPa,出口壓力為0.1 MPa,使得空化室內(nèi)呈現(xiàn)出泡狀空化狀態(tài)。模擬發(fā)現(xiàn),空泡演化呈準(zhǔn)周期性的初生、發(fā)展、分離、脫落、潰滅過(guò)程,并分別以上、下凸臺(tái)為空化初生依附位置,如圖6中點(diǎn)f1、f2所示。受流道結(jié)構(gòu)制約,該壓力下的泡狀空化初生點(diǎn)位于兩凸臺(tái)圓心連線(xiàn)上,且空化初生點(diǎn)皆位于凸臺(tái)的迎流位置,因該處流速最大,近壁壓力最低,最易滿(mǎn)足空化條件。

圖6 空化初生依附點(diǎn)Fig.6 Cavitation primary attachment point

圖7為空化室上、下凸臺(tái)液相汽化體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果。由圖7可知,空泡發(fā)展的周期性明顯,雖周期稍有差別,但演化規(guī)律基本一致,上凸臺(tái)空泡的演化周期為0.057 s,下凸臺(tái)的為0.059 s。

圖7 空化室內(nèi)液相汽化體積分率(氣體體積分?jǐn)?shù))周期性變化曲線(xiàn)Fig.7 Periodic change curves of vaporization volume fraction in the cavitation chamber

圖8演示了空化室一個(gè)周期內(nèi)的空泡演變過(guò)程。在上凸臺(tái)(圖8(a)),沿著流動(dòng)方向由(1)到(2),在空化初生處空泡初生、長(zhǎng)大、脫落,體積不斷增大;較大的空泡分離為小的空泡,并相互依附、黏連,逐漸發(fā)展至(3)中的大空泡而脫落分離;留下部分游離小泡,游離小泡會(huì)與脫落大空泡融合后體積變大,如(4)所示;繼而向下游發(fā)展,生長(zhǎng)至體積最大(見(jiàn)(5)),此時(shí)上凸臺(tái)空化程度達(dá)到最強(qiáng);自(5)開(kāi)始,上凸臺(tái)空化程度逐漸減弱,初生位置幾乎不再給下游提供游離空泡,主體大空泡持續(xù)受壓變小,一段時(shí)間后潰滅消失。而后在(8)時(shí)刻上凸臺(tái)空化初生處重新初生空泡,重新開(kāi)始下一周期的空泡演化,而整個(gè)周期約0.057 s。

在下凸臺(tái)空化過(guò)程中(圖8(b)),空泡演化的全過(guò)程約為0.059 s,其演化周期與上凸臺(tái)的相近,演化過(guò)程與規(guī)律也相似;但相比于上凸臺(tái),下凸臺(tái)的下游流場(chǎng)空間區(qū)域更大,能給空泡提供充足的演變空間和時(shí)間,空泡的演化行為也更加顯著。而上凸臺(tái)后緣則基本上一直處于高壓渦旋區(qū),流場(chǎng)區(qū)域范圍小,抑制了空泡的初生和長(zhǎng)大,會(huì)導(dǎo)致空泡出現(xiàn)非正常演化。在整個(gè)演化過(guò)程中,下凸臺(tái)作為重要空化依附位置,液相的汽化體積分率要明顯高于上凸臺(tái)位置的。

圖8 空泡演變過(guò)程Fig.8 Cavitation evolution process

2.3 空蝕損傷定量分析研究

空泡破裂時(shí)對(duì)壁面沖擊的高剪切應(yīng)力和速度會(huì)對(duì)壁面空蝕造成影響,將壁面定量損傷公式(式(2))用于量化分析空化損傷,并進(jìn)行修正,取得了較好效果[4,32]。筆者采用自定義函數(shù)將損傷公式植入Ansys fluent軟件內(nèi),來(lái)進(jìn)行空蝕的定量分析。

式(2)中:Ecavitation為空蝕損傷率,mm/a;A為空蝕損傷實(shí)驗(yàn)常數(shù),取值3.071×10-17[32];n為速度指數(shù)因子,與實(shí)驗(yàn)條件有關(guān),取值6[4];τWSS為壁面剪切力,Pa。

上、下凸臺(tái)空泡演化過(guò)程的周期性使空泡潰滅對(duì)壁面造成的剪切力沖擊具有穩(wěn)定的變化周期。不同位置處空泡或空泡群的演化行為不同、空泡數(shù)量不同、空化強(qiáng)度不同,則對(duì)應(yīng)的損傷程度也不同,因此在靶區(qū)內(nèi)的6個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)分別計(jì)算壁面的損傷程度。6個(gè)區(qū)域內(nèi)面加權(quán)平均的壁面剪切力結(jié)果如圖9所示,其中圖9(a)～(f)分別對(duì)應(yīng)靶區(qū)1～6監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)的壁面剪切力變化。由圖9可知:壁面剪切力的周期性變化明顯,不同區(qū)域的壁面剪切力變化周期和幅值不同,但二者基本呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)性;各區(qū)域內(nèi)壁面剪切力的周期由小到大順序?yàn)?T3、T4、T5、T6、T2、T1。

圖9 靶區(qū)壁面剪切力變化曲線(xiàn)Fig.9 Shear force curves of the target wall

依據(jù)式(2)求得空蝕損傷速率的變化曲線(xiàn)如圖10所示。由圖10可知:沿著流體流動(dòng)方向,靶區(qū)內(nèi)空蝕速率先迅速增大,出現(xiàn)損傷量峰值后逐漸減小;最大損傷位置在區(qū)域3,其損傷速率最大。這是因?yàn)榭瘴g損傷主要是受到空泡群的破裂潰滅和流場(chǎng)沖擊所致,而損傷速率在很大程度上又會(huì)受制于空泡的破裂行為;上凸臺(tái)后緣空間較小,流體流速較低,大多數(shù)空泡發(fā)展沒(méi)有經(jīng)歷充分的時(shí)間,達(dá)不到正常潰滅的條件;緊鄰上凸臺(tái)的區(qū)域1受到渦旋影響,多數(shù)空泡會(huì)被“擠走”排開(kāi),隨狹縫主流移動(dòng)到下游區(qū)域內(nèi),在區(qū)域3～6內(nèi)發(fā)展?jié)?導(dǎo)致區(qū)域1并不會(huì)受到較大損傷,而區(qū)域3損傷最大。在區(qū)域2和3處損傷率有較大增速的主要原因是此處正對(duì)來(lái)流,來(lái)流會(huì)夾帶部分空泡撞擊壁面,造成較大的壁面剪切應(yīng)力。

圖10 靶區(qū)各區(qū)域內(nèi)損傷程度Fig.10 Damage degree in each area of the target area

下凸臺(tái)作為空化初生的主要依附位置,除了正對(duì)來(lái)流,下游發(fā)展空間充足,即使有渦旋的產(chǎn)生,也會(huì)促進(jìn)該處空泡的發(fā)展演變。在圖5(a)中,Ⅰ和Ⅱ兩個(gè)渦旋旋向相同,都是順時(shí)針?lè)较?Ⅰ處渦旋恰好阻止上凸臺(tái)空泡長(zhǎng)大,而Ⅱ處渦旋卻促進(jìn)了下凸臺(tái)空泡長(zhǎng)大。兩處渦旋的速度相對(duì)狹縫處主流來(lái)說(shuō)非常小,主流攜帶兩側(cè)空泡向下游移動(dòng),導(dǎo)致在下游靶區(qū)范圍內(nèi)匯聚了大量的來(lái)自上、下凸臺(tái)的脫落空泡群,經(jīng)過(guò)融合之后破裂潰滅。此外,結(jié)合圖9各個(gè)區(qū)域內(nèi)壁面剪切力變化曲線(xiàn)可知,區(qū)域3的壁面剪切力幅值最大,變化周期最小,區(qū)域4～6周期逐漸增大,幅值逐漸變小。這說(shuō)明空泡群的匯聚潰滅產(chǎn)生較高流速?zèng)_擊,使區(qū)域3內(nèi)空泡破裂頻率和剪切力疊加幅值達(dá)到最大,進(jìn)而對(duì)壁面會(huì)有較大的損傷,而在下游區(qū)域4、5、6受到空泡群破裂潰滅的影響越來(lái)越弱,損傷程度逐漸降低。

3 結(jié) 論

(1)模擬結(jié)果表明,ZGB空化模型對(duì)空化室內(nèi)模擬計(jì)算的適用性好,與實(shí)驗(yàn)吻合性好。

(2)隨著進(jìn)出口壓差增大,空化室下游主流場(chǎng)內(nèi)湍動(dòng)加劇,狹縫上下游壓力分布梯度增大,區(qū)域Ⅰ、Ⅲ的渦旋范圍和中心壓力值也增大,但中心位置基本不變,而Ⅱ區(qū)域渦旋范圍卻逐漸減小。

(3)空泡的演化過(guò)程規(guī)律明顯,呈現(xiàn)出空化初生、發(fā)展、脫落、分離、融合、潰滅的準(zhǔn)周期性過(guò)程。由于流道結(jié)構(gòu)影響,上、下凸臺(tái)空化初生依附點(diǎn)位于兩凸臺(tái)圓心連線(xiàn)上,兩位置處空泡演化周期有差別,但基本演化規(guī)律一致,上凸臺(tái)的空泡演化周期約為0.057 s,下凸臺(tái)的約為0.059 s。下凸臺(tái)下游流場(chǎng)空間范圍大,空泡的演化行為也更加顯著,而上凸臺(tái)后緣則基本上一直存在高壓渦旋區(qū),且范圍較小,會(huì)抑制空泡生長(zhǎng)和發(fā)展。依據(jù)液相汽化體積分率可知,下凸臺(tái)為主要空化依附位置。

(4)空泡演化的周期性導(dǎo)致靶區(qū)內(nèi)壁面剪切力受空化效應(yīng)的疊加影響同樣呈現(xiàn)出周期性變化;空泡群的匯聚和破裂導(dǎo)致不同位置的壁面剪切力變化不同,并影響最終的損傷結(jié)果,使得損傷速率沿著流動(dòng)方向迅速增大,達(dá)到峰值之后逐漸減小。