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。     

突体引发空化的边界层分离涡解释与计算

高速水流流经突体发生边界层分离,并在突体后产生分离涡时,涡心为压强最低区域,该处最先发生空化.据此理论导出了用边壁压强和突体高度处流速来判断是否发生空化的公式:计算的涡心压强小于对应温度下的饱和蒸汽压强时,将发生空化.采用实测资料对该公式的参数进行了率定.     

龙羊峡底孔突扩掺气体型的空化特性

龙羊峡底孔泄水道是龙羊峡工程最低一层泄洪设施，特点是采用突扩跌坎掺气体型，工程运用中产生了较严重的冲蚀破坏，为此进行了减压模型试验。试验着重对其空化特性进行了测试、分析，并对实际中产生冲蚀破坏的原因进行了探析，多方面的不利因素（高流速、突扩跌坎体型掺气的不充足、施工的种种不平整度）同时存在，引起冲蚀破坏。     

特高速掺气水流对空化的影响

根据特高速掺气水流所表现的可压缩性，利用连续方程和动量方程，并考虑水流粘滞性和脉动影响，将掺气水流当作单向流分析。水流流经不平整体时，其后可产生在掺气情况下仍不能消除的负压。此时，空化已不可避免，且随马赫数增加，掺气反而会使负压值增加，因而，将不再具有减蚀作用。     

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。     

基于高速摄影的水力机械空化空腔膨胀收缩特性试验研究

水力机械水力不稳定是水电站、水泵站机组和厂房强烈振动、转轮叶片断裂、尾水管撕裂、压力及负荷振荡等稳定性问题的主要来源。空化空腔危害水力机械稳定性理论认为,空化空腔的膨胀收缩循环变化是引起强烈压力脉动及振动的主要根源,但该空化空腔的膨胀、收缩及溃灭并无试验资料证实。采用高速摄影对水力机械空化空腔膨胀收缩特性进行研究,证实了混流式水轮机叶道涡空化空腔、贯流式水轮机叶片两个端面间隙流空化空腔遇低压膨胀、遇高压收缩甚至溃灭的特性,发现贯流式水轮机叶片与转轮室之间间隙流是小尺寸多列漩涡流涡街。     

突扩跌坎掺气设施深化研究

高速水流下的空化空蚀和高水头下的闸门止水问题是高水头泄水建筑物运行所遇到的2大问题。为深入研究突扩跌坎掺气设施,进一步了解其水力特性和空化特性,以某水利枢纽孔板泄洪洞中闸室通气系统和突扩跌坎掺气设施为具体研究对象,通过建立比尺 1∶20 的局部水工模型,分析研究了通气孔风速、流态、压力、掺气浓度等水力特征参数,并将试验结果与原型观测结果进行了对比。结果表明:该工程布置的掺气效果良好,试验所得通气管内风速随闸门开度变化的趋势、水流掺气浓度、压力及其脉动在数值上与原型观测结果均一致,说明工程原型观测与模型试验对比验证是成功的。理论研究和实际运用均表明,结合闸门止水和掺气减蚀要求的突扩跌坎布置,是符合实际需求且安全可行的,同时也是解决高水头条件下闸门止水和掺气减蚀的有效措施,具有广泛的推广应用价值。     

气泡尺寸与气核数目对初生空化的影响综述

衡量掺气效果的传统方法主要以掺气浓度为指标,认为掺气浓度大于2%时很少发生空蚀破坏。但新的研究表明,掺气浓度即使在很低的范围也可能不发生空蚀破坏。从气泡尺寸和气核数目对初生空化的影响入手,通过分析已有数据,探索衡量掺气效果的因素,得出初步结论。掺气减蚀效果不仅与掺气浓度有关,而且还与气泡尺寸有关,低于10-3m级尺寸的气泡对空泡溃灭冲击波的削弱作用不可忽略;其他条件一定时,气核数目增大,会促进空化现象的发生。     

掺气减蚀技术及掺气设施研究进展

为优化掺气设施体型并对其水力特性进行研究,在已有理论研究成果与工程实践经验基础上,从水流掺气减蚀机理、掺气水流运动特性及掺气设施体型及布置三方面评述了水流掺气减蚀技术研究进展。针对目前掺气减蚀技术研究中存在的不足,认为今后应进一步加强多泡情况下空化泡-空气泡-边壁微观作用机制,近壁(底板、侧壁)水体掺气浓度、气泡特征的沿程演变规律,复杂条件下掺气设施体型优化等方面的研究。     

水力提升管道大颗粒运动特性的高速摄影分析

为提高管道水力输送安全性,本文利用高速摄影技术对水力提升系统中大颗粒的运动规律进行了试验研究,观察了颗粒及颗粒群体的运动状态.通过数字图像处理技术,得到了单颗粒的运动轨迹和颗粒群分布规律,同时获得了颗粒轴向速度、径向速度等各种运动参散,并分析了颗粒粒径对其轴向速度的影响.研究发现单颗粒基本上属于螺旋式上升的状态;颗粒群主要集中于管道的中心;颗粒的轴向速度在沿管径的分布类似于抛物线分布,大小基本上与颗粒的粒径成反比;径向速度沿管径基本符合正态分布.     

Cavitation bubbles collapse characteristics behind a convex body

Cavitation bubbles behind a convex body were experimentally studied by a high speed camera and a hydrophone synchronously. The experiments were conducted in a circulating water tunnel with five various contraction ratios： β = 0.497, β= 0.6, β= 0.697, β= 0.751, and β= 0.799. The distributions of the cavitation bubble collapse positions behind the five different convex bodies were obtained by combining the images taken by the high speed camera. According to the collapse positions, it was found that no cavitation bubble was collapsed in the region near the wall until the ratio of the water head loss over the convex body height was larger than 20, which can be used to predict if the cavitation damage would occur in the tunnel with orifice energy dissipaters.     

空化形成机理和比尺效应

高速水流容易发生空化，为进一步研究空化的形成机理和影响因素。对空化形成机理和液体粘性、表面张力、气核状况等影响因素的最新研究成果进行了综合分析。水流空化试验中存在比尺效应，指出并建立了空化比尺效应的经验公式。对空化机理的研究还有待进一步深入。     

Experimental study of the interaction between the spark-induced cavitation bubble and the air bubble

Experiments are carried out by using high-speed photography to investigate the interaction between the spark-generated cavitation bubble and the air bubble in its surrounding fluid. Three problems are discussed in detail： the impact of the air bubble upon the development of the cavitation bubble, the evolution of the air bubble under the influence of the cavitation bubble, and the change of the fluid pressure during the development of a micro jet of the cavitation bubble. Based on the experimental results, under the condition of no air bubble present, the lifetime of the cavitation bubble from expansion to contraction increases with the increase of the maximum radius. On the other hand, when there is an air bubble present, different sized cavitation bubbles have similarity with one another generally in terms of the lifetime from expansion to contraction, which does not depend on the maximum radius. Also, with the presence of an air bubble, the lifetime of the smaller cavitation bubble is extended while that of the bigger ones reduced. Furthermore, it is shown in the experiment that the low pressure formed in the opposite direction to the cavitation bubble micro jet makes the air bubble in the low pressure area being stretched into a steplike shape.     

AN EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF PRESSURE AND CAVITATION CHARACTERISTICS OF HIGH VELOCITY FLOW OVER A CYLINDRICAL PROTRUSION IN THE PRESENCE AND ABSENCE OF AERATION

This article experimentally investigated the pressure and cavitation characteristics of high velocity flow over a surface irregularity with and without aeration in a non-circulating water tunnel system. The surface irregularity is a cylindrical protrusion made of stainless steel of 6 mm diameter and 2 mm height. Pressures with and without aeration were measured with MPX400D pressure transducers and real-timely acquired by a SINOCERA YE6263 data acquisition system. Variations in flow regimes with and without aeration were observed. Pressure profiles and their variations with air concentration upper and lower cylindrical protrusion on the invert and obvert walls were determined. Variations of cavitation number with air concentration lower cylindrical protrusion were analyzed. Also, cavitation numbers in the presence and absence of aeration were compared.     

微型高速离心泵多工况内部空化特性分析

基于CFX软件和RNG k-ε湍流模型,研究了不同流量和不同进口压力条件下泵内空化流动的特性。通过Rayleigh-Plesset方程均相流动空化模型分析了叶轮内的空泡数与叶轮扭矩随空化系数变化的关系,空化的初生、主要位置和流道的静压变化特性。结果表明:空泡体积随空化系数的减小而增大,空化初生在叶片前缘及附近流道。随着进口压力的减小,诱发空化的低压区主要集中于叶片与流道的中部且压力分布不均匀。各小流量工况下,扭矩变化随着空化系数的减小而减小,在空化系数较大时,不同工况下的扭矩均会有不规则波动且各曲线变化临界点会随着流量的增加逐渐向前移动,但总体变化趋势大致相同。本文研究的微型高速泵内空化流场的特性及空化对泵稳定运行性能的影响可供设计较高运行效率的微型高速离心泵参考。     

高水头船闸阀门顶缝空化切片试验研究

针对日益严峻的高水头单级船闸阀门顶缝空化问题,采用能够真实反映缝隙流特性的1:1切片模型试验,研究阀门顶缝空化特性及门楣自然通气防空化机理。研究表明,随着空化的发展,缝隙段依次发生喉口跌坎空化、主流中心空化和阀门面板空化,缝隙段负压区不断延伸,直至整个缝隙段达到稳定的-10 m水柱负压,压力脉动很小;门楣自然通气通过增加缝隙段压力,消除主流中心空化和阀门面板空化,抑制喉口跌坎空化。当采用门楣自然通气措施后,缝隙段压力稳定在-2 m水柱左右,空化消失,缝隙段水流脉动压力增大;缝隙段压力与单宽通气量近似二次多项式关系,通气量极值对应的缝隙段压力约-2 m水柱,此时缝隙段压力与通气量达到平衡状态,当缝隙段压力逐渐升高时,门楣通气量逐渐降低,直至自然通气停止。     

空蚀冲击波模式下气泡尺寸在掺气减蚀中的作用

根据纵波在气液两相流（泡状流）中传播时的衰减规律,从理论上详细探讨了水中单个小气泡、气泡群对压力冲击波衰减所起的作用。结果表明小气泡的尺寸或气泡群的最大概率尺寸是减缓压力波强度的关键因素。给出了减缓已知频率的空化压力冲击波的最有效气泡半径（最大概率半径）的计算公式,对应各种不同的气泡尺寸（最大概率尺寸）压力衰减程度的计算公式。这有助于从微观上深入理解掺气减蚀的机理以及认识掺气减蚀的保护作用。