水下主動(dòng)通氣空泡包裹水射流實(shí)驗(yàn)研究

李洋，王涵瑞，楊茂，劉紅松，蔣運(yùn)華,3

1.中山大學(xué) 海洋工程與技術(shù)學(xué)院, 廣東 廣州 510725

2.中國(guó)兵器裝備集團(tuán)有限公司 國(guó)營(yíng)第一五二廠, 重慶 401120

3.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室 (珠海), 廣東 珠海 519000

高壓水射流是通過(guò)噴嘴將得到的高壓流體約束成形狀各異的高速水流束[1?2]，其在航空航天、機(jī)械、化學(xué)工業(yè)、采礦和水利工程等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[3?4]。根據(jù)工作環(huán)境介質(zhì)的不同，可以將水射流分為淹沒(méi)水射流和非淹沒(méi)水射流。淹沒(méi)水射流在水下工作面臨的主要問(wèn)題是水的密度比空氣大很多，但水射流的直徑一般較小，水射流與環(huán)境中的水接觸后，由于水產(chǎn)生的阻力會(huì)損失很大一部分能量，導(dǎo)致水射流沖擊能力減弱、效率降低。本文提出通過(guò)主動(dòng)通氣的方式使氣射流與水射流互相作用形成氣液兩相流，提高其工作效率。

Weiland等[5]對(duì)圓形噴嘴水射流進(jìn)行了水下實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在水下水射流會(huì)出現(xiàn)夾斷現(xiàn)象，此外Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定與Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定都對(duì)水下射流的運(yùn)動(dòng)有較大影響。Liu等[6]通過(guò)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬的方法研究了淹沒(méi)高壓水射流的沖擊能力和流動(dòng)特性，驗(yàn)證了剪切效應(yīng)對(duì)淹沒(méi)射流發(fā)生空化的影響，淹沒(méi)射流的沖擊能力受到空化與射流壓力的共同作用。Qian等[7]研究了水下水射流清除泥沙的特性，驗(yàn)證了泥沙孔隙率對(duì)淹沒(méi)水射流沖刷深度的影響。Jiang等[8?10]采用主動(dòng)通氣的方式在水下形成氣液兩相流，結(jié)果表明形成空泡能夠減小航行體在水下的阻力。靳成才等[11]對(duì)淹沒(méi)水射流沖擊天然氣水合物沉積物的過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明在水射流入射角度增大過(guò)程中，沖蝕體積先增大后減小，最后趨于穩(wěn)定。

針對(duì)淹沒(méi)水射流目前存在的問(wèn)題，本文提出通過(guò)主動(dòng)通氣的方式使得水射流在離開(kāi)噴嘴后的一段距離內(nèi)被空泡包裹，從而與環(huán)境中的液體相隔離。本文主要進(jìn)行了水下氣液兩相流實(shí)驗(yàn)，研究了兩相流的流動(dòng)特性與影響因素，并對(duì)射流的兩相結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為水下氣液兩相流流場(chǎng)測(cè)量裝置示意。實(shí)驗(yàn)裝置主要分為兩相流生成裝置、高速成像裝置、供水裝置、供氣裝置以及實(shí)驗(yàn)水箱。

圖1 水下氣液兩相流流場(chǎng)測(cè)量裝置

實(shí)驗(yàn)水箱由透明有機(jī)玻璃材質(zhì)制成，水箱長(zhǎng)×寬×高為 2 m×1.2 m×0.6 m。兩相流生成裝置主要包括實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、連接板和模型支撐結(jié)構(gòu)，模型支撐結(jié)構(gòu)平放在水箱底部，其中軸線方向與水箱側(cè)壁方向平行，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯ㄟ^(guò)連接板連接在模型支撐結(jié)構(gòu)上。

供氣系統(tǒng)輸送的空氣由空氣壓縮機(jī)通過(guò)管路輸出，經(jīng)過(guò)壓力表、微調(diào)閥門(mén)以及氣體流量計(jì)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢?nèi)部，再由射流噴嘴進(jìn)入實(shí)驗(yàn)水箱?？諝鈮嚎s機(jī)的最大排氣壓力為0.8 MPa，通氣流量為 0~240 SLPM。

而實(shí)驗(yàn)使用的高壓水射流則由柱塞泵通過(guò)管道送出，經(jīng)單向閥、壓力表、液體流量計(jì)以及相關(guān)管路進(jìn)入水箱。柱塞泵的工作壓力為0~10 MPa。

實(shí)驗(yàn)采用的高速相機(jī)型號(hào)為Photron Fastcam Mini AX200，分辨率為 1 024 像素×1 024 像素，拍攝速度為6 400 fps。為保證能拍攝到清晰的兩相流影像，在水箱正后方布置了12盞功率為100 W的LED燈，排列方式為3排4列。

1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

實(shí)驗(yàn)噴嘴模型是由鋁加工制成的圓柱組合體，其表面經(jīng)過(guò)拋光打磨處理，模型總體長(zhǎng)度L0=72mm，最大直徑D0= 32mm。模型頭部段形狀為平頭，開(kāi)設(shè)噴口直徑Dn為2 mm和3 mm，通氣環(huán)孔直徑Dg為 4 、5、6、7、8和 9 mm，其內(nèi)部設(shè)置多個(gè)通孔分別連接氣體管路與液體管路，如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢?nèi)部結(jié)構(gòu)

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)在室溫室壓、水箱注水高度（水面高度到水箱底部的距離）h= 550 mm 的條件下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中改變的參數(shù)主要為通氣流量(Q)、水射流壓力(Pn)、噴口直徑(Dn)和通氣環(huán)孔直徑(Dg)。通氣流量的變化為0~40 SLPM，水射流壓力為0~5 MPa。空泡長(zhǎng)度的定義如圖3所示。

圖3 空泡長(zhǎng)度定義

實(shí)驗(yàn)中，標(biāo)準(zhǔn)情況下的噴氣系數(shù)定義為

式中：Q為 通氣流量，SLPM；Vn為水射流速度，m/s；Dn為噴口直徑，mm。

所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果均以無(wú)量綱的形式呈現(xiàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 通氣空泡運(yùn)動(dòng)演化過(guò)程

圖4是通氣流量Q=25SLPM、水射流壓力Pn=5MPa 、噴口直徑Dn=3mm、通氣環(huán)孔直徑Dg=7mm、每張圖片的時(shí)間間隔△t＝0.781 25 ms時(shí)通氣空泡演化過(guò)程。由于在淹沒(méi)狀態(tài)下氣體壓力存在脈動(dòng)，導(dǎo)致通氣空泡的形態(tài)變化過(guò)程具有明顯的周期性。初始時(shí)刻，通入的氣體不足以將噴嘴出口附近的液體排開(kāi)，此時(shí)形成的主要是破碎的小空泡，無(wú)法將水射流完全包裹。隨著時(shí)間的推移，通氣環(huán)孔噴出的氣體越來(lái)越多，開(kāi)始形成能將水射流完全包裹的空泡，并沿著射流軸向與徑向同步擴(kuò)張，空泡的最大長(zhǎng)度與最大直徑也在不斷增大。在空泡沿軸向和徑向擴(kuò)張到極限處后，空泡的最大形態(tài)能維持一定時(shí)間。但此后由于噴嘴出口處的氣體流量不斷減少，空泡在軸向和徑向上均開(kāi)始收縮，直至無(wú)法完全包裹住水射流，最終發(fā)生潰滅。

圖4 通氣空泡運(yùn)動(dòng)演化過(guò)程(Q =25SLPM、 P n=5MPa、 D n=3mm、 D g=7mm、 ? t=0.78125ms)

在空泡發(fā)展的整個(gè)過(guò)程中，形成的通氣空泡雖然受到浮力的影響，但并未向上逸出，主要原因是通入的氣體流量相對(duì)較小，而此時(shí)水射流的速度較大，導(dǎo)致氣射流與水射流的速度差較大，氣射流受到水射流的作用不斷向前運(yùn)動(dòng)。此外，由于氣體壓力脈動(dòng)的影響，每一個(gè)周期內(nèi)空泡形態(tài)都是膨脹與頸縮交替出現(xiàn)，空泡長(zhǎng)度具有明顯的周期性，如圖4所示。圖5給出了噴流直徑Dn=2mm、通氣環(huán)孔直徑Dg=6mm、通氣流量Q=25SLPM時(shí)，3個(gè)周期內(nèi)最大空泡長(zhǎng)度隨時(shí)間的變化關(guān)系?？梢钥闯觯畲罂张蓍L(zhǎng)度的隨時(shí)間的變化規(guī)律具有明顯的周期性，在每一個(gè)周期內(nèi)，最大空泡長(zhǎng)度都是先增大后減小，在每個(gè)周期內(nèi)都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值。而通氣流量對(duì)空泡發(fā)展特性的影響主要體現(xiàn)在最大空泡長(zhǎng)度、最大空泡體積以及空泡周期方面，通氣流量越大，每個(gè)周期中最大空泡長(zhǎng)度的峰值越大、最大空泡體積越大、空泡周期越長(zhǎng)。

圖5 空泡長(zhǎng)度隨時(shí)間的變化關(guān)系

2.2 通氣流量的影響

為了探究通氣流量對(duì)通氣空泡的影響，圖6給出了不同噴口直徑、不同通氣環(huán)孔直徑時(shí)空泡長(zhǎng)度隨通氣系數(shù)的變化關(guān)系。可以看出，在噴口直徑與通氣環(huán)孔直徑不變的情況下，通氣空泡長(zhǎng)度均隨通氣系數(shù)的增大而增加，而且這種增長(zhǎng)關(guān)系表現(xiàn)出一定的線性趨勢(shì)。但在相同噴口直徑、不同通氣環(huán)孔直徑的情況下，這種線性增長(zhǎng)的斜率不同。如圖6所示，在通氣環(huán)孔直徑Dg=6mm時(shí)，斜率為9.0，但在通氣環(huán)孔直徑Dg=8mm時(shí)，斜率為13.6。值得注意的是，在小通氣系數(shù)下，由于通入的氣體流量較小，導(dǎo)致無(wú)法形成空泡包裹水射流，此時(shí)形成的多相流為液體與氣體互相混合的氣液兩相流，兩者之間未出現(xiàn)明顯的分層。只有當(dāng)通氣系數(shù)達(dá)到一定值時(shí)，才能形成完全包裹水射流的空泡，出現(xiàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)，如圖6所示。

圖6 空泡長(zhǎng)度與通氣系數(shù)的變化關(guān)系

為了研究通氣流量對(duì)空泡運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響，在圖7中給出了空泡周期隨通氣系數(shù)的變化關(guān)系。從圖7中可知，通氣空泡的發(fā)展過(guò)程可以分為空泡持續(xù)發(fā)展階段和間歇階段2個(gè)階段。2個(gè)階段交替出現(xiàn)，使通氣空泡的形態(tài)呈周期變化。在持續(xù)發(fā)展階段，通氣空泡的體積不斷增大，逐漸將水射流完全包裹，保持一定時(shí)間的穩(wěn)定后，體積逐漸減小，最終完全潰滅；在間歇階段，由于氣流壓力較小，無(wú)法形成包裹水射流的空泡，此時(shí)通入的氣體完全與水射流混合，形成不分層的氣液兩相流，如圖4所示。這個(gè)現(xiàn)象與Hutli[12]的描述相匹配。

圖7 空泡周期與通氣系數(shù)的變化關(guān)系(D n=2mm,Dg=6mm)

另外，隨著通氣系數(shù)的增大，空泡的持續(xù)期不斷增加，間歇期在逐漸減小，如圖7所示。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是氣射流傳遞給水射流以及環(huán)境中的液體的動(dòng)量不同，同時(shí)與形成的最大空泡長(zhǎng)度有關(guān)，形成的空泡長(zhǎng)度越大，其衰減至潰滅所需要的時(shí)間就越多，導(dǎo)致間歇階段的持續(xù)時(shí)間被壓縮。

2.3 液體流量對(duì)通氣空泡的影響

液體流量對(duì)通氣空泡的影響主要表現(xiàn)在對(duì)空泡形態(tài)與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變。在射流流量較小時(shí)（圖8（a）），空泡整體形狀表現(xiàn)出明顯的不對(duì)稱。以水射流中心軸線為對(duì)稱軸，在空泡的擴(kuò)張過(guò)程中，對(duì)稱線上方的空泡體積明顯要比對(duì)稱軸下方的空泡體積大得多，且上方空泡邊緣部分距噴嘴出口處的距離也較大。當(dāng)射流流量較大時(shí)（圖8（b）），空泡整體形狀的不對(duì)稱性明顯減弱，空泡擴(kuò)張過(guò)程中，軸線兩側(cè)的空泡形態(tài)基本保持對(duì)稱。

圖8 液體流量對(duì)空泡形態(tài)的影響

圖9給出了不同液體流量時(shí)最大空泡長(zhǎng)度隨通氣系數(shù)以及通氣流量的變化關(guān)系?？梢钥闯觯后w流量會(huì)顯著影響到空泡長(zhǎng)度隨通氣流量的變化速率，液體流量越小，空泡長(zhǎng)度隨通氣流量的增長(zhǎng)速率越大。

圖9 不同液體流量時(shí)空泡長(zhǎng)度與通氣系數(shù)的變化關(guān)系(D n=3mm)

3 結(jié)論

本文對(duì)基于通氣空泡的氣液兩相射流進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

1）通氣空泡的運(yùn)動(dòng)演化過(guò)程具有明顯的周期性，空泡整體先擴(kuò)張后收縮，具體表現(xiàn)為空泡長(zhǎng)度與空泡體積先增大后減小，但達(dá)到最大形態(tài)后能維持一定時(shí)間。

2）空泡長(zhǎng)度隨通氣系數(shù)的增大而增大，兩者之間呈線性關(guān)系。通氣環(huán)孔直徑越大，其增長(zhǎng)斜率越大。

3）液體流量的改變會(huì)顯著影響通氣空泡的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與形態(tài)特征，在其他條件相同時(shí)，液體流量越小，空泡形態(tài)關(guān)于射流中軸線的不對(duì)稱程度越劇烈。此外，液體流量越大，空泡長(zhǎng)度隨通氣系數(shù)的增長(zhǎng)率越小。