针状突体空化结构的高速摄影观察

应用高速摄影技术在直流式水洞中对针状突体的空化结构进行了试验研究。试验流速为8～40m/s,高速摄影机拍摄速率为20000fps,曝光时间为4μs。观察了不同流速下针状突体后空化云的形态以及随流动的演变情况,及不同掺气量对空化云的影响。此外,还给出针状突体空化区包络线（自由流线）的表达式。     

不同掺气孔径下水流空化特性试验研究

空化数反映了压力变化对水流空化特性的影响.该文基于浙江工业大学水力学实验室设计的直流式水洞,利用先进的量测设备对空化区中空化特性进行了试验研究.通过对不同流速不同掺气孔径下圆柱突体上下游空化数的对比分析,得出了不同掺气孔径下空化数的变化趋势有关的结论.该结论可供设计优化掺气设施时参考.     

掺气条件下空化特性的高速摄影分析

本文应用高速摄影技术在浙江工业大学水力学实验室直流式水洞中对半圆柱突体的空化结构进行了试验研究。试验流速为7～40m/s,高速摄影机拍摄速率为20000fps,曝光时间为4μs。观察了不同流速下半圆柱突体后空化云的形态以及掺气泡与空泡的相互作用情况,并考虑不同掺气浓度对掺气泡与空泡相互作用的影响。     

低湍流度水洞的水动力学设计与流场校测

中国空气动力研究与发展中心建成了低湍流度水洞流动显示实验室,以满足边界层转捩、湍流结构与控制及旋涡与分离流结构特性等基础研究需求,同时为开展新概念、高性能飞行器布局绕流结构及复杂流场特性研究提供流动显示实验平台。为满足低湍流度、速度场均匀、流场稳定性好和流场调节过程高效等核心指标需求,该水洞的水动力学设计过程打破了常规设计理念,注重理论与经验密切结合,提出并使用了三个方面的关键技术:一是使用消能孔板保证洞体回路全程低流速,综合迭代优化收缩段剖面结构、收缩比、稳定段蜂窝器、阻尼网和拐角段的拐角导流片结构形式等关键技术降低湍流度,将收缩比控制在9.3的状态下使湍流度达到0.1%,大幅节约了建设成本;二是在试验段下游使用等直下沉段释放能量、稳定流速和抑制回波,这种动力段与试验段之间的液位差,对消除轴流泵运行带来的水激振动扰动和抑制因流场调节带来的回波扰动作用重大;三是试验段上洞壁为敞开式槽体结构,保证试验段流体液面压力稳定,速度均匀,依据水动力学及轴流泵运行理论,上洞壁敞开式槽体结构对试验段速度场的稳定性及均匀性是有益的。流场校测试验结果表明水洞流场具有湍流度低(优于0.1%)、空间速度场均匀、流速稳定、流场调节高效和使用便捷等特点,该水洞的低湍流度水动力学设计方法值得推广。     

双锥头型回转体空化特性实验研究

该文以双锥头型回转体为研究对象,开展了攻角0°–6°、空化数0.3–1.0范围内共计20个工况的水洞实验,获得了空泡形态和回转体表面压力分布;根据实验观测结果,提出了四种类型的流型划分,研究了各类型空泡流状态下的表面压力特征,给出了不同空化数和攻角下的空泡流流型图;对空泡长度进行了定量判读,分析了小空化数下重力对空泡长度的影响,获得了空泡长度、迎背流面空泡长度差随攻角、空化数的变化规律。     

管道中圆化突体的压力分布和初生空化数

本文介绍了如何利用有限元法来计算管道边墙突体绕流的速度和压力分布,计算了下列各种突体的压力分布和最小压力系数:(1)不同相对突体高度和圆弧半径条件下的圆弧弓形和半弓形突体;(2)不同相对突体高度、圆化半径和坡度条件下的圆化三角形和斜坡形突体;(3)不同突体间距和个数条件下的多个突体。压力分布和最小压力系数的试验结果与计算结果吻合较好,最小压力系数和变压水洞中实测的初生空化数也很接近。文中系统地给出了最小压力系数与相对突体高度或突体坡度之间的关系曲线,根据这些曲线即可估算相应突体的初生空化数。由于各种突体圆化后能明显地降低初生空化数,因此对过流表面上的不平整突体应进行磨圆处理。通过计算对比,文中还给出了由于浇筑混凝土的模板等施工原因造成的多个突体,也可按单个突体的数据来估计它的初生空化数。     

梯形复式断面明渠流场特征试验研究

本文采用重力相似准则,建立了原型梯形复式断面无坝引水工程的室外试验模型,解决了在无坝引水工程中开展试验观测难度大的问题。同时对主河道与明渠交叉点即明渠进水口及主河道上下游的流速进行了三维观测,探讨了不同河流断面位置处的流速变化,为未来无坝引水工程通过水流流速变化进行泥沙淤积治理提供理论参考。     

细长体空泡流型试验研究

在水洞中对细长体通气附体空泡流型和控制途径进行了系列模型实验研究；获得了细长体通气附体空泡五种对称基本空泡流型与三种非对称基本空泡流型；在此基础上，从水下超空化超高速自主航行体的需求出发，提出了三种可用的空泡流型：非对称双空泡流型、尾部开式穿透非对称空泡流型和尾部半开式非对称空泡流型。并分析讨论了这三种空泡流型下航行体的重力平衡、运动控制与稳定性问题。同时，通过对有关参数的设计与控制，在水洞模型试验中实现了水下超空化超高速自主航行体的这三种空泡流型。     

构皮滩水电站泄洪中孔体型空化特性试验研究

 构皮滩水电站泄洪中孔出口布置型式分平底式和上弯式两类,其最大运行水头 95.36 m ,事故检修门采用倾向上游的斜门槽,门槽区域流速超过30m/s。由减压模型试验成果知,上弯式中孔门槽区蒸汽型空化强度未超过初生阶段,其体型基本上为免空蚀体型;平底式泄洪中孔门槽区域空化严重,蒸汽型空化达发展阶段,通过体型优化方案比较,采取减小有压段出口面积或扩大有压段断面尺寸的措施都可有效解决上述问题。因此泄洪建筑物有压段内布置斜门槽时,应控制门槽断面平均流速不宜过大,否则其会较直门槽更易产生危害性较大的空化。     

垂直汇流漩涡空化的声测研究

漩涡空化一直是空化空蚀研究中的一个重要问题。本文根据工程中交汇水流漩涡空化空蚀的实例,设计并制造了垂直汇流漩涡空化空蚀的试验模型,用NHC型水下噪声多通道瞬态采集、存贮和处理系统研究了这种漩涡空化的流动形态和空化噪声特征,首次给出了这种漩涡空化模型空化数的计算式、空化噪声声压级与流速及支流管厚度的定量关系。     

水洞空化核谱测量

本文介绍用激光全息法测量φ350毫米水洞空化核谱的实践经验。结果表明:水洞水样中极大多数是固体粒子,这些是对空化事件不起什么作用的“惰性核”。根据全息图象的光学特征来判读,或者在水洞中引出过滤旁路测量都能获得纯气核谱,两种方法各有利弊。实验数据还表明:在没有大气核的情况下,水洞工作段横截面上的气核分布可以认为是均匀的;只要保持水洞水速和静压不变运转足够长时间,可以认为水洞核谱是定常的;加压运转或快速抽空操作都会使小核数目增加,大核数目减少;水样的过滤不改变总空气含量比,仅有可能改变核谱;水的总空气含量比,天气、气候等都是影响水洞空化核谱的因素。本文还给出了空化核谱对Schiebe1.0头体空化起始影响的实验结果。     

小空化数下超空泡航行体的阻力特性试验研究

为了研究小空化数下超空泡形态航行体的阻力特性,针对带圆盘空化器头部的航行体设计加工了4种不同结构参数的航行体试验模型.并在水靶道中进行了这些模型的水下航行试验,航行体空化数接近10-4,试验中测量出航行体发射点和某点的航行速度,计算出航行体的平均空化数.数据处理后得到了航行体的平均阻力系数,分析了空化器直径、航行体长细比、空化数对航行体阻力特性的影响;还在试验数据基础上,分析了小空化下航行体的自然超空泡减阻率.结果表明:在超空泡形态下,空化数接近10-4航行体的超空泡减阻率可达98%.这个研究结果为进一步研究小空化数下航行体的水动力特性和弹道特性提供了理论参考和试验数据.     

通气超空泡水洞试验阻塞效应影响研究

水洞阻塞效应对于通气超空泡流动有重要影响,会导致水洞试验获得的相关参数与在无限流场中存在较大差别。为此,该文采用基于欧拉两流体多相流模型的数值模拟方法,对水洞试验阻塞效应机理进行了研究。首先,数值方法的有效性通过水洞试验数据进行了验证;其次,分别研究了水洞壁面黏性效应和尺度效应对于通气超空泡形态的影响规律,分析了水洞阻塞效应的产生机理。研究结果表明:水洞阻塞效应将会导致空泡长细比变大,仅通过增加空化器直径来增加空泡最大直径效果不明显;水洞阻塞效应主要受到壁面黏性效应和尺度效应的影响,且随来流速度增加而愈加明显;水洞试验设计应该对试验水速和模型尺度进行权衡考虑。以上研究成果对于通气超空泡水洞试验设计具有一定的指导意义。     

基于数值模拟的小浪底龙抬头式泄洪洞防洪安全分析

基于数值模拟,从泄流能力、断面流速、洞顶余幅、测压管水头、空化数及挑流冲刷等方面对黄河小浪底水电站左岸2号龙抬头式泄洪洞进行了防洪安全分析,并将模拟结果与1∶40物理模型试验结果进行了对比,结果表明,模拟结果与试验结果一致,采用数值模拟对龙抬头式泄洪洞进行防洪安全分析是可行的;同时还针对龙抬头式泄洪洞运行中存在的安全问题提出了相应的解决措施。     

异侧竖缝式鱼道水力特性研究

为了对异侧竖缝式鱼道的水力特性进行系统研究,设计了带隔板的玻璃水槽,对该型式鱼道进行了试验模拟。测量了鱼道池室内的流速分布,分析讨论了不同竖缝宽度和池室长度下的无量纲流速分布特征和断面最大流速沿程衰减情况;提出主流轨迹的拟合公式,并比较分析了试验异侧竖缝式鱼道的水流特性。结果表明,该型式室内鱼道水流为二维流态。确定了主流流速与竖逢平均流速的比值范围。该试验结果可供相关设计及科研参考使用。     

阶梯溢洪道水力特性试验及数值模拟

通过对阶梯溢洪道进行模型试验研究,验证了侧堰的过流能力,研究了典型断面流速、压力及水深在不同工况下的变化规律。试验结果表明:侧堰的过流能力满足设计要求,在各工况下,水深小于边墙设计高度,阶梯段各点空化数小于初生空化数,不会引起空蚀破化。根据原设计方案使用FLUENT对阶梯溢洪道进行数值模拟实验,并将数值模拟计算结果与模型试验结果进行对比分析,发现数值模拟计算结果与物理模型试验结果吻合良好,为深入分析阶梯溢洪道陡坡流场提供可能,同时,为体型结构优化提供技术保障。     

水流初生空化噪声机理分析及试验研究

根据水流的初生空化特性,对其发生发展过程在模型和原型进行系统的试验观测。试验和理论分析表明,水流的初生空化和空蚀可以利用常压水洞来模拟。与减压箱试验结果的比较可知常压水洞更可信和合理。水流的初生空化噪声频率不仅与汽化压力和流体的特性有关,而且还与流体的环境压力分布和速度分布有关,与空化类型关系更为密切。试验和计算表明初生空化噪声频率的分布频段为10kHz—12.5kHz。     

表孔门槽的空化特性分析

表孔门槽与二维凹槽在水力特性上有很大的差异，这决定了它们在空化特性上也有所不同.由于流动形式和堰面曲率的影响，表孔水流往往在堰面上压力低、流速高；在门槽底部，由于压差的作用，槽内旋涡常常随绕流从下游角隅绕出槽外.堰面、涡心以及绕流区的交汇，使压力剧烈下降，极易在门槽下游边墙底部发生混合型空化，其初生空化数远大于水洞中二维凹槽的初生空化数，应在设计中引起重视。     

脉动压力及压力梯度对不平整突体空化初生的影响

本文对六种不平整突体在正负压力梯度状况下的初生空化数进行了试验研究和理论分析，并根据气泡动力学方程建立了脉动压力与气泡振荡半径之间的关系，讨论了脉动压力及压力梯度对不平整突体空化初生的影响，试验结果表明，同一突体在负压力梯度状况下的初生空化数高于正压力梯度状况下的初生空化数；对于非流线型突体，在负压力梯度状况下空化初生时的壁面脉动压力强度低于正压力梯度状况下的脉动压力强度，脉动压力峰值约为七至十二倍的脉动压力均方根值。     

猴子岩水电站深孔泄洪洞掺气减蚀设施研究

深孔泄洪洞采用有压接无压布置型式,无压段流速26.6~42.2 m/s,水流空化数0.34~0.15,其中大部分洞段流速大于30 m/s,水流空化数小于0.30,为避免高速水流引起空蚀破坏,在控制过流面平整度和采用高等级抗空蚀混凝土的同时,需布置合理的掺气减蚀设施。通过大比尺模型试验对掺气坎体型进行了多方案比选,得到了合理的底部掺气坎体型,试验成果表明设置两道掺气坎后无压洞段底板掺气浓度和通气井内风速满足规范要求。